Сверхпроводящий Трансформатор Почти Своими Руками.

Еще в 2016 году один молодой, но очень впечатлительный студент четвертого курса энергетического факультета попал под влияние статья , в которой автор очень популярно показал, что такое высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП).

Ослепленный желанием возродить в душе довольно однообразную и крайне консервативную электроэнергетику, пробиваясь сквозь завесу противоречий и острую нехватку финансов, молодой холостяк вместе с коллегами все же построил трансформатор с обмотками из высокотемпературный сверхпроводник.

Наслаждайся чтением! Зачем делать трансформаторы сверхпроводящими? Нынешняя продукция трансформаторного производства действительно в каком-то смысле достигла идеала.

Крупные силовые трансформаторы, те самые, что расположены в кирпичных или железных трансформаторных подстанциях (ТП-ушах) у вас во дворе, а также более крупные представители имеют КПД около 99%.

Огромное количество нормативных документов регламентирует эксплуатацию, диагностику, способ установки и создание таких трансформаторов, а на конференциях и выставках появляется все больше представителей с инновационной гайкой в сердечнике магнитопровода или революционным маслом с пониженной концентрацией растворенные в нем газы.

Типичный представитель силовых трансформаторов И, казалось бы, куда нам, невеждам, лезть в эту отшлифованную до мелочей область инженерной мысли.

Оправдают ли лишние полпроцента КПД, которые могут обеспечить обмотки сверхпроводящего трансформатора, затраты на организацию специальной криогенной установки, переподготовку инженеров и переоснащение производства? Зачем изобретать велосипед? Первичный анализ показывает, что в этом нет необходимости.

Однако позвольте мне привести один аргумент, который стал причиной того, что эта статья впоследствии стала возможной: «А что, если велосипед ударопрочныйЭ» Преимущества трансформатора с ВТСП обмоткой перед обычным: — Практически полное отсутствие потерь энергии в обмотках (провода сверхпроводящие, не нагреваются); — Взрыво- и пожаробезопасность (жидкий азот, в отличие от трансформаторного масла, не выделяет взрывоопасных газов); — Меньший вес и габариты (плотность тока в сверхпроводящем проводе может быть в 10 раз выше, чем в медном проводе при том же напряжении); — Возможность ограничения токов короткого замыкания.

Хотя первые три преимущества сильны, все они меркнут по сравнению с огромной ценой, которую приходится платить за сверхпроводимость.

Поэтому, боюсь, коммерческий успех ВТСП-трансформаторов может иметь место только в особо требовательных видах военной и космической техники или на объектах с особым уровнем пожарной безопасности.

Однако четвертое свойство может кардинально изменить картину, и лично мне одного его кажется достаточным, чтобы не только обратить внимание на ВТСП-парадигму, но и провести некоторые исследования.

Собственно, именно это и сделали многие мои коллеги по всему миру, взять хотя бы работы [1-3].

В чем тут подвох? О физике ограничения тока На данный момент, говоря о ВТСП проводах в контексте электроэнергетики, мы почти всегда говорим о композитных ВТСП лентах на основе керамических соединений.

Как видно на изображении ниже, сверхпроводник (слой YBCO), нанесенный на металлическую подложку, со всех сторон покрыт неким защитным слоем.

В качестве такого защитного слоя могут выступать некоторые металлы и их сплавы, например медь.

Естественно, эти материалы не обладают сверхпроводящими свойствами при температуре жидкого азота, а это означает, что если сверхпроводимость керамики YBCO по каким-либо причинам пропадает, то весь ток распараллеливается между этими слоями в соответствии с их резистивным сопротивлением.

Любой ток пропорционален напряжению, приложенному к данному сопротивлению, а это значит, что если вдруг, ниоткуда в цепи появится сопротивление там, где его раньше не было (сверхпроводимость рухнула), то ток (при постоянном напряжении) будет снижаться.

Причем степень этого снижения зависит от сопротивления материалов, окружающих слой ВТСП.

Но как уничтожить сверхпроводимость? На самом деле есть два принципиальных пути: повышение температуры выше критической, при которой сверхпроводимость существовать не может, или воздействие на ВТСП магнитным полем выше критического.

Причём, если ток течёт через сверхпроводник, то он ещё и создаёт магнитное поле, которое пытается проникнуть в этот сверхпроводник, а если ток создаёт слишком большое поле, то начинается сверхпроводимость.

постепенно крах.

Ток, при котором начинает разрушаться сверхпроводимость, обычно называют критический .

Давайте построим трансформера! Вот и все! Теперь, я уверен, вы понимаете достаточно, чтобы приступить к сборке трансформатора, и поверьте, для меня это было действительно увлекательное путешествие, ведь если намотка провода для обычного трансформатора (привет тем, кто его наматывал) – это очень кропотливое и довольно трудоемкая задача, то для ВТСП преобразователя сложность возрастает существенно.

Особенно когда такое устройство собирается из подручных материалов.

Давайте выясним, почему! Обмоточные рамы Одним из серьезных недостатков ВТСП-трансформатора является то, что сердечник не является и не может быть сверхпроводящим.

Поэтому у нас есть два варианта, что делать: нагреть и гидроизолировать сердечник от обмоток, увеличив расстояние между ним и обмотками и снизив КПД, или поместить сердечник в азот вместе с обмотками, создав большой котел для азота.

, так как потерь холостого хода трансформатора нигде нет ребят Мы решили пойти по первому пути, сделав криостат в виде полого цилиндра.

Почему вы выбрали именно этот каркас для вторичной обмотки (которая ближе к сердечнику):

Полипропиленовая труба и оберточная бумага рядом с ней Труба внутренним диаметром 100 мм.

из полипропилена – идеальный гидроизоляционный материал, но не очень хороший теплоизолятор.

Более того, некоторые виды пластика склонны к усадке при низких температурах, из-за чего обмотка, намотанная непосредственно на такую трубу, может деформироваться вместе с трубой.

Поэтому было решено дополнительно укрепить эту трубу, обмотав ее сверху бумагой, пропитанной эпоксидной смолой.

С бумагой проблем не было; его можно вдоволь приобрести на выходах различных (крупных) хозяйственных магазинов (аля Лерой), где он бесплатен.

С компаундом тяжелее.

У нас не было опыта работы с самодельными печатными платами на бумажной основе, и мы не знали, как поведет себя каркас, пропитанный бумагой, при -196 градусах Цельсия.

Посоветовались и решили взять первую попавшуюся эпоксидную смолу марки МД-20. При покупке смолы нас предупредили, что отвердитель (второй компонент, с которым смешивается смола, после чего она затвердевает в ходе химической реакции) действует через 20 минут. Почему сразу стало понятно, что медлить нельзя и бумагу придется быстро замачивать.

Для этого в виде человеческого конвейера появились верные товарищи.

Импровизированный конвейер для пропитки бумаги эпоксидной смолой Запах был, честно говоря, не очень.

Также берегите руки при работе с составами!

Процесс пропитки бумаги Второй каркас (для внешней обмотки) был сделан по образу и подобию первого и непосредственно поверх него.

Чтобы рамки не слипались, положили немного случайного материала, который потом можно было оторвать.

Результат был:

Готовые каркасы для обмоток Подводя итог этой части, скажу, что более дешевого способа создать два немагнитных, неметаллических, криостойких и достаточно прочных каркаса, наверное, просто не существует. Самым дорогим элементом при создании каркаса был, конечно же, компаунд ~500 руб/кг, потом ПП труба, а потом щетки и перчатки - это по желанию.

Обмотки Пожалуй, центральным и самым дорогим элементом этой истории являются сами ВТСП обмотки.

Причина, по которой в названии этой статьи присутствует слово «почти», — цена.

Мы приобрели 40 метров ВТСП ленты шириной 4 мм и толщиной 0,1 мм с критическим током 80 А по цене 2500 рублей за метр.

Явно физическое.

человек вряд ли заплатит за такое.

Давайте посмотрим на их ослепительно дорогое величие.

Описана ослепительно дорогая часть проекта Помимо высокой стоимости, ВТСП-лента является еще и очень необычным материалом.

Он не любит сильных перегревов (более 500 градусов), имеет большой максимальный радиус изгиба (около 20 мм, при превышении которого сверхпроводник начнет деформироваться), а также его нельзя скручивать, мять и бить.

Все это превращает работу с ВТСП-проводами в своеобразное ювелирное искусство.

Как мы будем его наматывать? Если честно, выбранный метод намотки ленты на каркас, пожалуй, самый примитивный.

Лента закрыта с одной стороны Каптоновая лента , а выступающие за пределы ленты края ленты приклеиваются лентой к рамке.

В результате в процессе намотки мы получаем два фактора, удерживающие намотку на каркасе: сцепление скотча и поверхности печатной платы и сила трения ленты на одной поверхности.

В итоге, как ни удивительно, оно оказалось вполне надежным.

Каптоновая лента была выделена не случайно.

Дело в том, что не каждый материал может быть надежным утеплителем при низких температурах.

Например, обычный скотч становится почти стекловидным и сжимается.

Изолента также дает усадку.

Электроизоляционные лаки трескаются (правда, не все), изоляция ПВХ тоже дает усадку.

Каптоновая (или полиимидная) лента ведет себя крайне спокойно при низких температурах (как и при высоких), ее традиционно выбирают для ВТСП проводов, когда нужно сделать что-то «быстро», хотя надо сказать, что она недешева по сравнению с обычный с скотчем.

Когда нужно сделать что-то основательное, используют покрытие, тоже на основе полиимида.

Процесс намотки внешней (первичной) обмотки Вообще-то намотали трансформатор с количеством витков 50:25, на практике получилось чуть меньше, но дело не в этом.

Первичная обмотка (внешняя) была однозаходной (одна спираль по всей высоте), вторичная обмотка (внутренняя) — двухзаходная (чередуются две спирали).

Что фактически дает критический ток для первичной = 80 А, а для вторичной 160 А.

Если принять во внимание, что напряжение сети (на которую был изготовлен трансформатор) = 220 В, то получим около 10 кВт передаваемой мощности при практически без потерь, в достаточно небольшом объёме.

Результаты намотки:

Первичная (слева) и вторичная (справа) обмотки ВТСП трансформатора.

Пайка Мы подошли к самому нервному процессу в производстве трансформаторов.

Как уже говорилось выше, сверхпроводник не любит высоких температур.

Когда мы говорим о медном проводе, способном длительное время пропускать ток 60-80 Ампер без перегрева, мы имеем в виду сечение 16 или 25 мм^2. Это достаточно массивные и непокорные провода, которым сложно придать нужную изящную форму для удобной пайки 4-мм ВТСП-лентой.

Если взять достаточно мощный паяльник и простой припой, можно перегреть ленту.

Поэтому лучше брать индий-оловянный припой с температурой плавления ~103 градуса.

С.

А еще лучше расплавить его в паяльной ванне, покрыть ленту и проволоку паяльной кислотой и получить сказочное сияние самолюбования от хорошо выполненной работы в отражении раскаленного металла.

Нюанс.

Тококонтакты лучше припаивать, не жалея площади ленты, для лучшего ввода тока.

По поверхности контакта с токовым контактом мы взяли 3 см ленты, но можно и больше.

Контакты напряжения от токовых контактов мы удалили на несколько сантиметров, чтобы измерять падение напряжения не в точке контакта, а непосредственно на обмотке.

К сожалению, сохранилась только фотография финала этого действа.

Обмотки с контактами Криостат Завершающая и самая кустарная часть нашего производства.

Криостат изготовлен из пенопласта и акрилового герметика.

Вот и все.

К сожалению, не все марки пены подойдут. Пенополистирол с крупными гранулами при воздействии азота сразу же с грохотом и грохотом саморазрушится.

Неправильная пена (слева) и правильная пена (справа) Что касается герметика, то, кроме шуток, мы взяли самый дешевый, который был в наличии.

Я не знаю, в чем тут подвох.

Главное, чтобы герметик был акриловый, а не силиконовый, потому что последний (как нас уверили в магазине) может разъедать пенопласт. Криостат был сборным; были вырезаны квадраты с круглыми отверстиями, чтобы вся конструкция в конечном итоге поместилась внутрь, а снаружи криостата выступала труба, в которую в дальнейшем предполагалось поместить магнитопровод. Другими словами:

Сборный криостат Как видно на фото, стыки всей этой конструкции были обильно промазаны и пропитаны герметиком.

Мы извлекаем выгоду из того, что, когда герметик затвердевает в атмосфере азота, он на ощупь напоминает очень густой сыр и отлично выполняет свои функции.

На последнем этапе под трубу каркаса вырезается специальное дно, на которое он устанавливается и, наконец, вся эта конструкция собирается в единый ВТСП-трансформатор.

Трансформатор HTS В результате мы получили: ВЦПТ-10000, 220/110 В, 50/100 А, ВЛ Объяснение HTSC T – последняя буква означает трансформатор 10000 - мощность в ВА 220/100 – номинальные напряжения первичной/вторичной обмоток 50/100 - номинальные токи первичной/вторичной обмоток ОХЛ - работа в очень холодных условиях Ээксперименты Думаю, каждый экспериментатор хотя бы раз испытывал на себе эту смесь трепета и безжалостности, с которой он подвергал мучениям своего «новоиспеченного зверя».

Разумеется, трансформатор HTS был предназначен для сжигания.

Однако мы сожжем его осторожно – с научной точки зрения.

Здесь я покажу основной эксперимент, для которого был сделан трансформатор.

Закоротим вторичную обмотку и с помощью выключателя подадим напряжение от сети (220 В) на первичную обмотку.

Поскольку сопротивление первичной обмотки и магнитно связанной с ней (через воздух) вторичной обмотки невелико, в цепях будут протекать довольно большие токи.

Эти токи превысят критический уровень 80 А и, следовательно, разрушат сверхпроводимость, из-за чего ВТСП обмотка постепенно начнет приобретать конечное электрическое сопротивление, что, в свою очередь, вызовет ограничение тока.

Которую мы запишем в виде искаженной синусоиды тока.

И появление на осциллограмме напряжения каких-то итоговых значений (вместо нуля в обычном режиме).

Измерения будут проводиться с помощью неожиданного для данного опыта устройства: анализатор качества электроэнергии .

Это неожиданно, поскольку частота дискретизации этого устройства в режиме осциллографа оставляет желать лучшего.

Но что вы можете сделать? Тем не менее, давайте посмотрим на качественную картину происходящего.

Текущие осциллограммы (точки на графиках соответствуют реальным записанным данным) На осциллограммах слева (для сравнения) показан режим короткого замыкания, если трансформатор не заполнен жидким азотом: мы видим слегка искаженную, но спокойную синусоиду тока короткого замыкания, которая через период (полпериода) показана на рисунок) отключается автоматическим выключателем.

Справа — режим короткого замыкания, если криостат предварительно заполнен жидким азотом: мы видим сильное начальное увеличение тока, который постепенно (начиная со 150 А) изгибается под действием возрастающего сопротивления.

Однако из-за более высокого значения тока короткого замыкания автоматический выключатель срабатывает уже в первом полупериоде.

К сожалению, пока мы довольствуемся только этими качественными результатами, но вскоре обязательно сделаем еще много.

Заключение Конечно, ВТСП преобразователь оставляет после себя массу противоречий.

Эти противоречия проявляются даже при кустарном способе изготовления столь сложного устройства.

Что уж говорить о реальных рабочих образцах, с которыми вы можете ознакомиться [1,3].

Настоящая ВТСП-энергетика шагнула далеко вперед с разработкой кабелей и ограничителей тока, испытывая трудности даже в этих более развитых подразделениях.

Ознакомиться с ними можно довольно популярно не покидая этот сайт, например Здесь .

Тем не менее, какой бы противоречивой ни была эта область инженерных знаний, в конечном итоге правым останется тот, кто сможет обосновать свою правоту, поэтому мы попробуем.

И в любом случае это жутко интересно! Спасибо за внимание! С уважением, Ваш ДОК.

Также выражаю благодарность: Виталию Сергеевичу Высоцкому и коллективу ВНИИКП за помощь и советы на этом нелегком пути.

Павлюченко Дмитрию Анатольевичу за огромную поддержку и желание развивать это направление с нуля! Литература 1. Дай С.

и др.

Разработка сверхпроводящего трансформатора мощностью 1250 кВА и его демонстрация на сверхпроводящей подстанции //IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2016. – Т.

26. – № 1. – С.

1-7. 2. Манусов В.

З.

, Александров Н.

В.

Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с обмотками из высокотемпературного сверхпроводника // Известия Томского политехнического университета.

– 2013. – Т.

323. – № 4. 3. Лапторн А.

С.

и др.

Трансформатор HTS: детали конструкции, результаты испытаний и отмеченные механизмы отказа //IEEE Transactions on Power Delivery. – 2011. – Т.

26. – № 1. – С.

394-399. Теги: #Популярная наука #Сделай сам или Сделай сам #физика #Энергетика и аккумуляторы #энергетика #трансформатор #криогеника #сверхпроводимость #ВТСП