Transformador superconductor de bricolaje

Cerca del 2016, un joven pero impresionante estudiante de cuarto año de la Facultad de Energía fue influenciado por un artículo en el que el autor mostró muy popularmente qué son los superconductores de alta temperatura de hoy (en lo sucesivo, HTSC). Cegado por el deseo de revivir en su alma una industria de energía eléctrica bastante monótona y extremadamente conservadora, abriéndose paso a través del velo de contradicciones y una aguda falta de financiación, el joven soltero y sus colegas construyeron un transformador con bobinados de un superconductor de alta temperatura.

Que tengas una buena lectura!

¿Por qué los transformadores son superconductores?

Los productos actuales de la construcción de transformadores realmente han logrado, en cierto sentido, un ideal. Los transformadores de potencia grandes, los mismos que se encuentran en las subestaciones de transformación de ladrillo o hierro (orejas TP) en su patio, así como los representantes más grandes tienen una eficiencia de aproximadamente el 99%. Una gran cantidad de documentos reglamentarios regulan la operación, el diagnóstico, el método de instalación y la creación de dichos transformadores, y en conferencias y exposiciones hay cada vez más representantes con una tuerca innovadora en el núcleo del circuito magnético o aceite revolucionario con una concentración reducida de gases disueltos en él.


Representante típico de transformador de potencia

Y, al parecer, ¿dónde ignoramos escalar en este campo de la ingeniería pulido hasta el más mínimo detalle? ¿Vale la pena el costo y la organización de una economía criogénica especial, el reciclaje de ingenieros y el reequipamiento de la producción por la eficiencia adicional del medio por ciento que pueden proporcionar los devanados superconductores del transformador? ¿Por qué reinventar la rueda? El análisis inicial muestra que no hay necesidad. Sin embargo, déjame darte un argumento, que se convirtió en la razón por la cual este artículo se hizo posible más adelante: "¿Qué pasa si la bicicleta será una emergencia?".

Ventajas de un transformador con bobinados HTSC sobre los convencionales:

- Ausencia casi total de pérdidas de energía en los devanados (los cables son superconductores, no se calientan);
- Seguridad contra explosiones e incendios (el nitrógeno líquido, a diferencia del aceite para transformadores, no emite gases explosivos);
- Menos peso y dimensiones (la densidad de corriente en un cable superconductor puede ser 10 veces mayor que la del cobre, con igual voltaje);
- Capacidad para limitar las corrientes de cortocircuito .

A pesar del fuerte componente de las tres primeras ventajas, todas se desvanecen ante el yugo del enorme precio que debe pagarse por la superconductividad. Por lo tanto, me temo que el éxito comercial de los transformadores HTSC puede tener lugar, excepto en los tipos particularmente exigentes de tecnología militar y espacial o en instalaciones que son especiales en términos de seguridad contra incendios. Sin embargo, la cuarta propiedad puede cambiar drásticamente la imagen y, personalmente, me parece suficiente no solo para llamar la atención sobre el paradigma HTSC, sino también para realizar algunas investigaciones. En realidad, como lo hicieron muchos de mis colegas en todo el mundo, tome al menos trabajos [1-3].
¿Cuál es el truco aquí?

Sobre la física limitante actual

En este momento, hablando de cables HTSC en el contexto de la industria de la energía eléctrica, casi siempre hablamos de cintas HTSC compuestas basadas en compuestos cerámicos. Como se puede ver en la imagen a continuación, un superconductor (capa YBCO) depositado sobre un sustrato metálico está cubierto por todos lados por una capa protectora. Algunos metales y sus aleaciones, como el cobre, pueden actuar como esta capa protectora. Naturalmente, estos materiales no poseen propiedades superconductoras a la temperatura del nitrógeno líquido, lo que significa que si la superconductividad por alguna razón desaparece en la cerámica YBCO, entonces toda la corriente se paraleliza entre estas capas, de acuerdo con su resistencia resistiva.


Cualquier corriente es proporcional al voltaje aplicado a una resistencia dada, lo que significa que si de repente, de la nada, aparece una resistencia en un circuito donde no estaba allí antes (colapsó la superconductividad), entonces la corriente (a un voltaje constante) disminuirá. Además, el grado de esta disminución depende de la resistencia de los materiales circundantes, la capa HTSC. ¿Pero cómo destruir la superconductividad? En realidad, hay 2 formas fundamentales: elevar la temperatura por encima de la crítica, en la que la superconductividad no puede existir o actuar en un campo magnético HTSC por encima de la crítica. Además, si una corriente fluye a través del superconductor, entonces también crea un campo magnético, que intenta penetrar en este superconductor, y si la corriente crea un campo demasiado grande, entonces la superconductividad comienza a colapsar gradualmente . La corriente a la cual la superconductividad comienza a colapsarse se llama crítica .

¡Estamos construyendo un transformador!

Bueno, eso es todo! Ahora, estoy seguro de que entiendes lo suficiente como para comenzar a construir un transformador y, créeme, fue un viaje realmente emocionante para mí, porque si enrollar un cable para un transformador convencional (hola a quienes lo hirieron) es algo muy escrupuloso y bastante tedioso, luego, con un transformador HTSC, la complejidad aumenta a veces. Especialmente cuando dicho dispositivo se ensambla a partir de materiales improvisados. ¡Entendemos por qué!

Marcos de bobinado

Uno de los inconvenientes serios de un transformador HTSC es que el núcleo no es ni puede ser superconductor. Por lo tanto, tenemos dos opciones sobre qué hacer: calentar e impermeabilizar el núcleo de los devanados, aumentar la distancia entre él y los devanados y reducir la eficiencia, o empujar el núcleo en nitrógeno junto con los devanados, creando una gran caldera para el nitrógeno, porque la pérdida inactiva del transformador no está en ninguna parte para hacerlo Decidimos ir por el primer camino, haciendo un criostato en forma de cilindro hueco. ¿Por qué eligieron esto como un marco para el devanado secundario (que está más cerca del núcleo):


Tubo de polipropileno y papel de regalo al lado

Tubo con un diámetro interior de 100 mm. Hecho de polipropileno es un agente impermeabilizante ideal, pero no es un muy buen aislamiento térmico. Además, algunos tipos de plástico tienden a encogerse a bajas temperaturas, debido a lo cual el devanado enrollado directamente en dicho tubo puede deformarse junto con el tubo. Por lo tanto, se decidió reforzar adicionalmente esta tubería envolviéndola sobre papel impregnado con resina epoxi. No hubo problemas con el papel, puede obtener uno en abundancia a la salida de varias tiendas de construcción (grandes) (ala Leroy), donde es gratis. Compuesto más duro. No teníamos experiencia trabajando con textolitas hechas en papel hechas en casa, y no sabíamos cómo se comportaría un marco impregnado de papel a -196 grados Celsius. Consultamos y decidimos tomar el primer epoxi ED-20 que apareció. Al comprar la resina, se nos advirtió que el endurecedor (el segundo componente con el que se mezcla la resina, después de lo cual se endurece durante la reacción química) funciona en 20 minutos. ¿Por qué se hizo evidente de inmediato que sería imposible postergar y que el papel tendría que empaparse rápidamente? Para esto, aparecieron fieles camaradas de armas en la imagen de un transportador humano.


Transportador de impregnación de resina epoxi improvisada

El olor era, francamente, no muy. ¡Y cuide sus manos cuando trabaje con compuestos!


Proceso de impregnación de papel

El segundo marco (para el devanado exterior) ya estaba hecho a imagen y semejanza del primero y directamente encima. Para evitar que los marcos se peguen entre sí, colocan un poco de material al azar, que luego se podría arrancar. El resultado es:


Wireframes terminados

Resumiendo esta parte, diré que probablemente no haya una forma más barata de crear dos marcos no magnéticos, no metálicos, criosestables y suficientemente fuertes. El elemento más costoso en la creación del marco fue, por supuesto, un compuesto de ~ 500 p. / Kg., Seguido de un tubo de PP, y luego cepillos, guantes, esto es opcional.

Bobinado

Quizás el elemento central y más caro de esta historia son los devanados HTSC. La razón por la que la palabra "casi" aparece en el título del artículo es el precio. Compramos 40 metros de cinta superconductora de alta temperatura con un ancho de 4 mm y un espesor de 0.1 mm, con una corriente crítica de 80 A. A un precio de 2500 rublos / metro. Es claro físico. la persona apenas pagará por eso. Veamos su deslumbrante grandeza cara.


La parte deslumbrantemente cara de este proyecto

Además del alto costo de HTSC, la cinta también es un material muy caprichoso. No le gusta el sobrecalentamiento fuerte (más de 500 grados), tiene un gran radio de curvatura limitante (alrededor de 20 mm, comienza la deformación del superconductor), tampoco puede retorcerse, arrugarse, golpearse. Todo esto convierte el trabajo con cables HTSC en una especie de arte de joyería. ¿Cómo vamos a tambalear?

Honestamente, el método de enrollar la cinta en el marco es probablemente el más primitivo. La cinta se cubre a lo largo de un lado con cinta Kapton, y los bordes de la cinta que sobresalen más allá de la cinta se pegan con la cinta al marco. Como resultado, durante el proceso de bobinado, obtenemos dos factores que sostienen el bobinado en el marco: la cinta adhesiva y la superficie de la PCB y la fuerza de fricción de la cinta en la misma superficie. Como resultado, sorprendentemente, resultó bastante confiable.

La cinta Kapton no se selecciona al azar. El hecho es que no todos los materiales pueden ser aislamientos confiables a bajas temperaturas. Por ejemplo, la cinta adhesiva ordinaria se vuelve casi de vidrio y se contrae. La cinta aislante también se encoge. Los barnices aislantes eléctricos se agrietan (aunque no todos), el aislamiento de PVC también se contrae. La cinta Kapton (o poliimida) se comporta de manera extremadamente tranquila a bajas temperaturas (así como a altas), se elige tradicionalmente para cables HTSC cuando necesita hacer algo "rápidamente", aunque hay que decir que no es barato en comparación con lo normal con cinta adhesiva Cuando necesite hacer algo sólido, use un recubrimiento basado en poliimida.


El proceso de devanado del devanado exterior (primario)

En realidad, el transformador con el número de vueltas 50:25 estaba sin aliento, en la práctica resultó un poco menos, pero no era el punto. El devanado primario (exterior) tenía un solo arranque (una bobina a lo largo de toda la altura), el devanado secundario (interior) tenía dos arranques (dos espirales se alternan). Eso realmente da una corriente crítica de primaria = 80 A y secundaria 160A. Si tenemos en cuenta que la tensión de red (bajo la cual se hizo el transformador) = 220 V. Entonces obtenemos aproximadamente 10 kW de potencia transmitida casi sin pérdida, en una cantidad bastante pequeña. Resultados de bobinado:


Devanados del transformador HTSC primario (izquierdo) y secundario (derecho)

Soldadura

Llegamos al proceso muy nervioso de hacer un transformador. Como se mencionó anteriormente, un superconductor no es fanático de las altas temperaturas. Cuando hablamos de un cable de cobre que puede transportar 60-80 amperios durante mucho tiempo sin sobrecalentarse realmente, nos referimos a secciones transversales de 16 o 25 mm ^ 2. Estos son cables bastante masivos y traviesos, que son difíciles de dar la forma elegante deseada para una fácil soldadura con una cinta HTSC de 4 mm. Si toma un soldador suficientemente potente y una soldadura sin pretensiones, puede sobrecalentar la cinta. Por lo tanto, es mejor tomar soldadura de estaño indio con un punto de fusión de ~ 103 grados. C. Mejor aún, derrítelo en un baño de soldadura, cubra la cinta y el alambre con ácido de soldadura y obtenga un fabuloso brillo de auto-adoración de un trabajo bien hecho para repeler el metal caliente.

El matiz Es mejor soldar contactos de corriente, sin ahorrar el área de la cinta, para una mejor entrada de corriente. Tomamos cintas de 3 cm. En la superficie de contacto con el contacto actual, pero se pueden hacer más. Quitamos los contactos de voltaje de la corriente unos pocos centímetros, para no medir la caída de voltaje en el punto de contacto, sino directamente en el devanado. Desafortunadamente, solo se ha conservado la foto del final de esta acción.


Bobinados con contactos

Criostato

La parte final y más artesanal de nuestra producción. El criostato estaba hecho de espuma y sellador acrílico. Y eso es todo. Desafortunadamente, no todas las marcas de espuma lo harán. La espuma de polietileno con gránulos grandes, cuando el nitrógeno ingresa en ella, se autodestruye inmediatamente con una explosión y un choque.


Espuma de poliestireno incorrecta (izquierda) y espuma de poliestireno correcta (derecha)

En cuanto al sellador, entonces, además de los chistes, tomaron el más barato de los que eran. No sé cuál es el truco. Lo principal es que el sellador debe ser acrílico, no de silicona, porque este último (como nos aseguraron en la tienda) puede corroer la espuma.

El criostato fue prefabricado, se cortaron cuadrados con agujeros redondos para que toda la estructura finalmente encajara dentro, mientras que un tubo sobresalía del criostato, en el que se planea colocar el circuito magnético en el futuro. En otras palabras:


Criostato prefabricado

Como puede ver en la foto, las juntas de toda la estructura fueron engrasadas y empapadas con sellador. Está a mano que el sellador se endurece con nitrógeno y se asemeja a un queso muy espeso al tacto, y realiza sus funciones extremadamente bien. En la última etapa, se corta un fondo especial debajo del tubo del marco en el que se instala y, finalmente, toda esta estructura se ensambla en un solo transformador HTSC.


Transformador HTSC

Como resultado, obtuvimos:

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


Los experimentos

Creo que cada experimentador al menos una vez experimentó esta mezcla de inquietud y crueldad con la que atormentaba a su "bestia recién creada". Por supuesto, el transformador HTSC fue creado para ser incinerado. Sin embargo, lo incineraremos cuidadosamente, científicamente.

Aquí mostraré la experiencia principal para la que se hizo el transformador. Cortocircuite el devanado secundario y use el interruptor para aplicar voltaje al devanado primario desde la red eléctrica (220 V). Dado que las resistencias del devanado primario y el devanado secundario acoplado magnéticamente a él (a través del aire) son pequeñas, fluirán corrientes bastante grandes en los circuitos. Estas corrientes superarán el nivel crítico de 80 A y, por lo tanto, destruirán la superconductividad, por lo que el devanado HTSC comenzará gradualmente a adquirir una resistencia eléctrica finita, lo que a su vez causará una limitación de corriente. Lo arreglaremos en forma de una corriente sinusoidal distorsionada. Y la aparición en la forma de onda del voltaje de algunos valores finales (en lugar de cero en el modo normal). Las mediciones se tomarán con la ayuda de un dispositivo inesperado para un experimento dado: un analizador de calidad de energía eléctrica . Es inesperado porque la frecuencia de muestreo de este dispositivo en el modo de osciloscopio deja mucho que desear. Pero que hacer. Sin embargo, echemos un vistazo a la imagen cualitativa de lo que está sucediendo.


Oscilogramas de corrientes (los puntos en los gráficos corresponden a los datos capturados reales)

Los oscilogramas a la izquierda (para comparación) muestran el modo de cortocircuito si el transformador no está lleno de nitrógeno líquido: vemos una sinusoide ligeramente distorsionada pero silenciosa de la corriente de cortocircuito, que se desconecta después de un período (la figura muestra un medio período). El modo de cortocircuito se muestra a la derecha si el criostato está precargado con nitrógeno líquido: vemos un fuerte aumento inicial en la corriente, que gradualmente (a partir de 150 A) se dobla bajo la influencia de una resistencia creciente. Sin embargo, debido al mayor valor de la corriente de cortocircuito, el disyuntor ya se dispara en el primer medio ciclo.

Desgraciadamente, nos contentamos solo con estos resultados cualitativos, pero en el futuro cercano haremos muchos otros.

Conclusión

Por supuesto, el transformador HTSC deja mucha controversia detrás de sí mismo. Estas contradicciones se manifiestan incluso en el método artesanal de fabricación de un dispositivo tan complejo. ¿Qué podemos decir sobre las muestras operativas reales, que puede encontrar en [1,3]. La verdadera industria de energía eléctrica HTSC ha avanzado con el desarrollo de cables y limitadores de corriente, experimentando dificultades incluso en estas unidades más desarrolladas. Puede familiarizarse con ellos de manera muy popular sin salir de este sitio, por ejemplo aquí .

Sin embargo, no importa cuán contradictoria sea esta área de conocimiento de ingeniería, en última instancia, solo aquellos que puedan justificar su inocencia seguirán siendo correctos, así que lo intentaremos.

Y en cualquier caso, ¡es terriblemente interesante!

Gracias por su atencion!
Tuyo verdaderamente DOK.

Gracias también a:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich y el equipo VNIIKP por su ayuda y asesoramiento de esta manera difícil.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich por su gigantesco apoyo y deseo de desarrollar esta área desde cero.