DIY supraleitender Transformator

Nahe 2016 wurde ein junger, aber sehr beeindruckender Student der Fakultät für Energie im vierten Studienjahr von einem Artikel beeinflusst, in dem der Autor sehr populär zeigte, was die heutigen Hochtemperatursupraleiter (im Folgenden als HTSC bezeichnet) sind. Der junge Junggeselle und seine Kollegen waren geblendet von dem Wunsch, in seiner Seele eine eher eintönige und äußerst konservative Elektroindustrie wiederzubeleben, die sich durch den Schleier der Widersprüche und einen akuten Mangel an Finanzmitteln hindurchbewegte, und bauten dennoch einen Transformator mit Wicklungen aus einem Hochtemperatursupraleiter.

Viel Spaß beim Lesen!

Warum Transformatoren supraleitend machen?

Die gegenwärtigen Produkte des Transformatorbaus haben in gewissem Sinne wirklich ein Ideal erreicht. Große Leistungstransformatoren, die sich auch in Umspannwerken aus Ziegeln oder Eisen (TP-Ohren) in Ihrem Garten befinden, sowie größere Vertreter haben einen Wirkungsgrad von ca. 99%. Eine Vielzahl von Zulassungsdokumenten regelt den Betrieb, die Diagnose, die Installations- und Herstellungsmethode solcher Transformatoren, und auf Konferenzen und Ausstellungen gibt es immer mehr Vertreter mit einer innovativen Mutter im Kern des Magnetkreises oder einem revolutionären Öl mit einer verringerten Konzentration gelöster Gase.


Typischer Vertreter eines Leistungstransformators

Und wie es scheint, klettern wir unwissend in dieses Gebiet der Technik, das bis ins kleinste Detail poliert ist. Sind die zusätzlichen Wirkungsgrade von einem halben Prozent, die die supraleitenden Wicklungen des Transformators bieten können, die Kosten und die Organisation einer speziellen kryogenen Wirtschaft, der Umschulung von Ingenieuren und der Umrüstung der Produktion wert? Warum das Rad neu erfinden? Die erste Analyse zeigt, dass keine Notwendigkeit besteht. Lassen Sie mich jedoch ein Argument nennen, das der Grund war, warum dieser Artikel später möglich wurde: „Was ist, wenn das Fahrrad ein Notfall sein wird?“.

Vorteile eines Transformators mit HTSC-Wicklungen gegenüber herkömmlichen:

- Fast keine Energieverluste in den Wicklungen (die Drähte sind supraleitend, sie erwärmen sich nicht);
- Explosions- und Brandschutz (flüssiger Stickstoff emittiert im Gegensatz zu Transformatoröl keine explosiven Gase);
- Weniger Gewicht und Abmessungen (die Stromdichte in einem supraleitenden Draht kann bei gleicher Spannung zehnmal höher sein als in Kupfer);
- Fähigkeit, Kurzschlussströme zu begrenzen .

Trotz der starken Komponente der ersten drei Vorteile verblassen sie alle vor dem Joch des enormen Preises, der für die Supraleitung gezahlt werden muss. Ich befürchte daher, dass der kommerzielle Erfolg von HTSC-Transformatoren stattfinden kann, außer bei besonders anspruchsvollen Arten der Militär- und Raumfahrttechnik oder in Einrichtungen, die im Hinblick auf den Brandschutz besonders sind. Die vierte Eigenschaft kann das Bild jedoch dramatisch verändern, und für mich persönlich scheint es allein ausreichend zu sein, nicht nur auf das HTSC-Paradigma aufmerksam zu machen, sondern auch einige Untersuchungen durchzuführen. Tatsächlich nehmen, wie viele meiner Kollegen auf der ganzen Welt, zumindest Arbeiten [1-3].
Was ist der Trick hier?

Über die Strombegrenzungsphysik

Im Moment sprechen wir über HTSC-Drähte im Kontext der Elektroindustrie und fast immer über HTSC-Verbundbänder auf der Basis von Keramikverbindungen. Wie aus dem Bild unten ersichtlich ist, ist ein auf einem Metallsubstrat abgeschiedener Supraleiter (YBCO-Schicht) allseitig von einer Schutzschicht bedeckt. Einige Metalle und ihre Legierungen wie Kupfer können als Schutzschicht fungieren. Natürlich besitzen diese Materialien bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff keine supraleitenden Eigenschaften, was bedeutet, dass, wenn die Supraleitung aus irgendeinem Grund in YBCO-Keramiken verschwindet, der gesamte Strom zwischen diesen Schichten entsprechend ihrem Widerstandswiderstand parallelisiert wird.


Jeder Strom ist proportional zu der an einen bestimmten Widerstand angelegten Spannung. Wenn also plötzlich aus dem Nichts ein Widerstand in einem Stromkreis auftritt, in dem er vorher nicht vorhanden war (Supraleitung kollabiert), nimmt der Strom (bei konstanter Spannung) ab. Darüber hinaus hängt der Grad dieser Abnahme von der Beständigkeit der umgebenden Materialien, der HTSC-Schicht, ab. Aber wie kann man die Supraleitung zerstören? Es gibt tatsächlich zwei grundlegende Möglichkeiten: die Temperatur über die kritische zu erhöhen, bei der keine Supraleitung existieren oder auf ein HTSC-Magnetfeld über der kritischen wirken kann. Wenn darüber hinaus ein Strom durch den Supraleiter fließt, erzeugt er auch ein Magnetfeld, das versucht, in diesen Supraleiter einzudringen, und wenn der Strom ein zu großes Feld erzeugt, beginnt die Supraleitung allmählich zusammenzubrechen. Der Strom, bei dem die Supraleitung zu kollabieren beginnt, wird als kritisch bezeichnet .

Wir bauen einen Transformator!

Nun, das ist es! Ich bin mir sicher, dass Sie genug verstehen, um mit dem Bau eines Transformators zu beginnen, und glauben Sie mir, es war eine wirklich aufregende Reise für mich, denn wenn das Wickeln eines Drahtes für einen herkömmlichen Transformator (Hallo an diejenigen, die ihn gewickelt haben) eine sehr gewissenhafte und ziemlich mühsame Sache ist, dann nimmt mit einem HTSC-Transformator die Komplexität manchmal zu. Besonders wenn ein solches Gerät aus improvisierten Materialien zusammengesetzt ist. Wir verstehen warum!

Wickelrahmen

Einer der schwerwiegenden Nachteile eines HTSC-Transformators besteht darin, dass der Kern nicht supraleitend ist und sein kann. Daher haben wir zwei Möglichkeiten, den Kern von den Wicklungen zu erwärmen und wasserdicht zu machen, den Abstand zwischen ihm und den Wicklungen zu vergrößern und den Wirkungsgrad zu verringern oder den Kern zusammen mit den Wicklungen in Stickstoff zu schieben, wodurch ein großer Stickstoffkessel entsteht, da der Leerlaufverlust des Transformators nirgendwo ist um es zu tun. Wir beschlossen, den ersten Weg zu gehen und einen Kryostaten in Form eines Hohlzylinders herzustellen. Warum haben sie dies als Rahmen für die Sekundärwicklung gewählt (die näher am Kern liegt):


Polypropylenrohr und Packpapier daneben

Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. aus Polypropylen ist ein ideales Imprägniermittel, aber keine sehr gute Wärmedämmung. Darüber hinaus neigen einige Kunststofftypen dazu, bei niedrigen Temperaturen zu schrumpfen, wodurch die Wicklung, die direkt auf ein solches Rohr gewickelt ist, zusammen mit dem Rohr verformt werden kann. Daher wurde beschlossen, dieses Rohr zusätzlich zu verstärken, indem es mit mit Epoxidharz imprägniertem Papier umwickelt wird. Es gab keine Probleme mit Papier, man kann eines in Hülle und Fülle am Ausgang verschiedener (großer) Baumärkte (ala Leroy) bekommen, wo es kostenlos ist. Verbindung härter. Wir hatten keine Erfahrung mit hausgemachten Textoliten auf Papierbasis und wussten nicht, wie sich ein mit Papier imprägnierter Rahmen bei -196 Grad Celsius verhalten würde. Wir haben uns beraten und beschlossen, das erste ED-20-Epoxidharz zu verwenden, auf das wir gestoßen sind. Beim Kauf des Harzes wurden wir gewarnt, dass der Härter (die zweite Komponente, mit der das Harz gemischt wird und nach der es während der chemischen Reaktion aushärtet) in 20 Minuten wirkt. Warum wurde sofort klar, dass es unmöglich sein würde, zu zögern, und dass das Papier schnell eingeweicht werden musste. Dafür erschienen treue Mitstreiter im Bild eines menschlichen Förderers.


Improvisierter Imprägnierförderer für Epoxidharz

Der Geruch war ehrlich gesagt nicht sehr. Und achten Sie beim Arbeiten mit Compounds auf Ihre Hände!


Papierimprägnierungsprozess

Der zweite Rahmen (für die äußere Wicklung) wurde bereits im Bild und in der Abbildung des ersten und direkt darüber erstellt. Um zu verhindern, dass die Rahmen zusammenkleben, legen sie ein wenig zufälliges Material ein, das später abgerissen werden könnte. Das Ergebnis ist:


Fertige Drahtgitter

Zusammenfassend möchte ich sagen, dass es wahrscheinlich keinen billigeren Weg gibt, zwei nicht magnetische, nicht metallische, kryostabile und ausreichend starke Rahmen zu erstellen. Das teuerste Element bei der Erstellung des Rahmens war natürlich eine Verbindung von ~ 500 p / kg, gefolgt von einem PP-Rohr und anschließend Bürsten und Handschuhen - dies ist optional.

Wicklung

Das vielleicht zentrale und teuerste Element dieser Geschichte sind die HTSC-Wicklungen selbst. Der Grund, warum das Wort "fast" im Titel des Artikels erscheint, ist der Preis. 40 Meter supraleitendes Hochtemperaturband mit einer Breite von 4 mm und einer Dicke von 0,1 mm bei einem kritischen Strom von 80 A wurden von uns zu einem Preis von 2500 Rubel / Meter gekauft. Es ist klar körperlich. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Person dafür bezahlt. Schauen wir uns ihre schillernd teure Größe an.


Der schillernd teure Teil dieses Projekts

Neben den hohen Kosten für HTSC ist das Band auch ein sehr skurriles Material. Sie mag keine starke Überhitzung (über 500 Grad), sie hat einen großen Grenzbiegeradius (ca. 20 mm, Verformung des Supraleiters beginnt), sie kann auch nicht verdreht, geknittert, geschlagen werden. All dies macht die Arbeit mit HTSC-Drähten zu einer Art Schmuckkunst. Wie werden wir rollen?

Ehrlich gesagt ist die Methode zum Aufwickeln des Bandes auf dem Rahmen wahrscheinlich die primitivste. Das Band ist entlang einer Seite mit Kapton- Band bedeckt, und die Kanten des Bandes , die über das Band hinausragen, werden zusammen mit dem Band auf den Rahmen geklebt. Als Ergebnis erhalten wir während des Wickelvorgangs zwei Faktoren, die die Wicklung auf dem Rahmen halten: Klebeband und die Oberfläche der Leiterplatte sowie die Reibungskraft des Bandes auf derselben Oberfläche. Infolgedessen stellte sich überraschenderweise heraus, dass es ziemlich zuverlässig war.

Kapton-Band wird nicht zufällig ausgewählt. Tatsache ist, dass nicht jedes Material bei niedrigen Temperaturen zuverlässig isoliert werden kann. Beispielsweise wird gewöhnliches Klebeband fast zu Glas und schrumpft. Das Isolierband schrumpft ebenfalls. Elektrisch isolierende Lacke reißen (wenn auch nicht alle), PVC-Isolierung schrumpft ebenfalls. Kapton- (oder Polyimid-) Klebeband verhält sich bei niedrigen Temperaturen (wie auch bei hohen Temperaturen) äußerst ruhig. Es wird traditionell für HTSC-Drähte gewählt, wenn Sie etwas „schnell“ erledigen müssen, obwohl gesagt werden muss, dass es im Vergleich zu gewöhnlichen nicht billig ist mit Klebeband. Wenn Sie etwas Festes tun müssen, verwenden Sie trotzdem eine Beschichtung auf Polyimidbasis.


Der Vorgang des Wickelns der äußeren (primären) Wicklung

Tatsächlich wurde der Transformator mit der Anzahl der Windungen 50:25 aufgewickelt, in der Praxis stellte sich heraus, dass es etwas weniger war, aber nicht der Punkt. Die Primärwicklung (außen) hatte einen Einzelstart (eine Spule über die gesamte Höhe), die Sekundärwicklung (innen) hatte zwei Starts (zwei Spiralen wechseln sich ab). Das ergibt tatsächlich einen kritischen Strom von Primär = 80 A und für Sekundär 160A. Berücksichtigt man, dass die Netzspannung (unter der der Transformator hergestellt wurde) = 220 V ist, so erhalten wir nahezu verlustfrei etwa 10 kW Sendeleistung in relativ geringem Umfang. Wicklungsergebnisse:


Primäre (links) und sekundäre (rechts) HTSC-Transformatorwicklungen

Löten

Wir kamen zu dem sehr nervösen Prozess, einen Transformator herzustellen. Wie oben erwähnt, ist ein Supraleiter kein Lüfter für hohe Temperaturen. Wenn wir von einem Kupferdraht sprechen, der lange Zeit 60-80 Ampere tragen kann, ohne wirklich zu überhitzen, meinen wir 16 oder 25 mm ^ 2 Querschnitte. Dies sind ziemlich massive und ungezogene Drähte, die schwer die gewünschte elegante Form für das einfache Löten mit einem 4 mm HTSC-Band zu geben sind. Wenn Sie einen ausreichend starken Lötkolben und ein unprätentiöses Lötmittel verwenden, können Sie das Band überhitzen. Daher ist es besser, Indiumzinnlot mit einem Schmelzpunkt von ~ 103 Grad zu nehmen. C. Besser noch, schmelzen Sie es in einem Lötbad, bedecken Sie das Klebeband und den Draht mit Lötmittelsäure und erhalten Sie einen fabelhaften Glanz der Selbstanbetung von einer Arbeit, die bei der Abwehr von heißem Metall gut gemacht wurde.

Die Nuance. Es ist besser, Stromkontakte zu löten, ohne den Bereich des Bandes zu schonen, um eine bessere Stromeingabe zu erzielen. Wir haben 3 cm genommen. Bänder auf der Kontaktfläche mit aktuellem Kontakt, aber mehr kann sein. Wir haben die Spannungskontakte einige Zentimeter vom Strom entfernt, um nicht den Spannungsabfall am Kontaktpunkt, sondern direkt an der Wicklung zu messen. Leider ist nur das Foto vom Finale dieser Aktion erhalten geblieben.


Wicklungen mit Kontakten

Kryostat

Der letzte und handwerklichste Teil unserer Produktion. Der Kryostat bestand aus Schaum und Acryldichtmittel. Und alle. Leider reicht nicht jede Schaumstoffmarke. Polyschaum mit großem Granulat zerstört sich sofort mit einem Knall und einem Absturz, wenn Stickstoff in ihn eindringt.


Falscher Polystyrolschaum (links) und korrekter Polystyrolschaum (rechts)

Was das Versiegelungsmittel betrifft, so nahmen sie zusätzlich zu den Witzen das billigste von denen, die es gab. Ich weiß nicht, was der Trick ist. Die Hauptsache ist, dass das Dichtmittel Acryl sein sollte, nicht Silikon, da letzteres (wie wir im Laden versichert hatten) den Schaum angreifen kann.

Der Kryostat wurde vorgefertigt, Quadrate mit runden Löchern wurden ausgeschnitten, so dass die gesamte Struktur schließlich hineinpasste, während ein Rohr außerhalb des Kryostaten hervorstand, in das der Magnetkreis in Zukunft eingebaut werden soll. Mit anderen Worten:


Vorgefertigter Kryostat

Wie Sie auf dem Foto sehen können, wurden die Fugen der gesamten Struktur gefettet und mit Dichtmittel getränkt. Es ist an der Hand, dass das Dichtungsmittel mit Stickstoff aushärtet und sich bei Berührung wie ein sehr dicker Käse anfühlt, und es erfüllt seine Funktionen sehr gut. In der letzten Phase wird ein spezieller Boden unter dem Rahmenrohr ausgeschnitten, auf dem er installiert ist, und schließlich wird diese gesamte Struktur zu einem einzigen HTSC-Transformator zusammengebaut.


HTSC-Transformator

Als Ergebnis haben wir:

VTSPT-10000, 220/110 V, 50/100 A, OHL


Die Experimente

Ich denke, jeder Experimentator hat mindestens einmal diese Mischung aus Angst und Rücksichtslosigkeit erlebt, mit der er sein "neu gemachtes Tier" gequält hat. Natürlich wurde der HTSC-Transformator geschaffen, um verbrannt zu werden. Wir werden es jedoch sorgfältig verbrennen - wissenschaftlich.

Hier zeige ich die Haupterfahrung, für die der Transformator gemacht wurde. Schließen Sie die Sekundärwicklung kurz und legen Sie mit dem Schalter Spannung an die Primärwicklung vom Netz an (220 V). Da die Widerstände der Primärwicklung und der damit magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung (durch Luft) klein sind, fließen in den Schaltkreisen ziemlich große Ströme. Diese Ströme überschreiten den kritischen Wert von 80 A und zerstören daher die Supraleitung, wodurch die HTSC-Wicklung allmählich einen endlichen elektrischen Widerstand annimmt, was wiederum eine Strombegrenzung verursacht. Was wir in Form eines verzerrten Sinusstroms beheben werden. Und das Auftreten einiger Endwerte auf der Wellenform der Spannung (anstelle von Null im normalen Modus). Die Messungen werden mit Hilfe eines Geräts durchgeführt, das für ein bestimmtes Experiment unerwartet ist: eines Qualitätsanalysators für elektrische Energie . Dies ist unerwartet, da die Abtastrate dieses Geräts im Oszilloskopmodus zu wünschen übrig lässt. Aber was tun? Schauen wir uns dennoch das qualitative Bild des Geschehens an.


Oszillogramme von Strömen (Punkte in den Diagrammen entsprechen den tatsächlich erfassten Daten)

Die Oszillogramme links (zum Vergleich) zeigen den Kurzschlussmodus, wenn der Transformator nicht mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist: Wir sehen eine leicht verzerrte, aber leise Sinuskurve des Kurzschlussstroms, der nach einer gewissen Zeit von einem Leistungsschalter abgeschaltet wird (die Abbildung zeigt eine halbe Periode). Der Kurzschlussmodus wird rechts angezeigt, wenn der Kryostat mit flüssigem Stickstoff vorgefüllt ist: Wir sehen einen starken anfänglichen Anstieg des Stroms, der sich allmählich (ab 150 A) unter dem Einfluss zunehmenden Widerstands biegt. Aufgrund des größeren Wertes des Kurzschlussstroms löst der Leistungsschalter jedoch bereits in der ersten Halbwelle aus.

Leider sind wir nur mit diesen qualitativen Ergebnissen zufrieden, aber in naher Zukunft werden wir sicherlich viele andere tun.

Fazit

Natürlich hinterlässt der HTSC-Transformator viele Kontroversen. Diese Widersprüche manifestieren sich sogar in der handwerklichen Methode zur Herstellung eines derart komplexen Geräts. Was können wir über reale Betriebsbeispiele sagen, die Sie auf [1,3] finden. Die echte HTSC-Elektroindustrie hat die Entwicklung von Kabeln und Strombegrenzern weit vorangetrieben und selbst in diesen weiter entwickelten Einheiten Schwierigkeiten gehabt. Sie können sich sehr beliebt mit ihnen vertraut machen, ohne diese Seite zu verlassen, zum Beispiel hier .

Egal wie widersprüchlich dieser Bereich des Ingenieurwissens auch sein mag, letztendlich bleiben nur diejenigen richtig, die ihre Unschuld rechtfertigen können, also werden wir es versuchen.

Und auf jeden Fall ist es schrecklich interessant!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Mit freundlichen Grüßen DOK.

Danke auch an:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich und das VNIIKP-Team für ihre Hilfe und Beratung auf diese schwierige Weise.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich für die gigantische Unterstützung und den Wunsch, dieses Gebiet von Grund auf neu zu entwickeln!