Transformateur supraconducteur bricolage

Vers 2016, un jeune, mais très impressionnant étudiant de quatrième année à la Faculté de l'énergie a été influencé par un article dans lequel l'auteur montrait très couramment ce que sont les supraconducteurs à haute température d'aujourd'hui (ci-après dénommés HTSC). Aveuglé par le désir de faire revivre dans son âme une industrie électrique plutôt monotone et extrêmement conservatrice, se frayant un chemin à travers le voile des contradictions et un manque criant de moyens financiers, le jeune célibataire et ses collègues ont néanmoins construit un transformateur avec des enroulements d'un supraconducteur haute température.

Bonne lecture!

Pourquoi rendre les transformateurs supraconducteurs?

Les produits actuels de la construction de transformateurs ont vraiment atteint, en un sens, un idéal. Les grands transformateurs de puissance, les mêmes que ceux qui se trouvent dans les postes de transformation en brique ou en fer (oreilles TP) dans votre cour, ainsi que les plus grands représentants ont une efficacité d'environ 99%. Un grand nombre de documents réglementaires réglementent le fonctionnement, le diagnostic, la méthode d'installation et la création de tels transformateurs, et lors de conférences et d'expositions, il y a de plus en plus de représentants avec un écrou innovant au cœur du circuit magnétique ou de l'huile révolutionnaire avec une concentration réduite de gaz dissous.


Représentant typique d'un transformateur de puissance

Et, semble-t-il, où allons-nous, ignorants, grimper dans ce domaine de l'ingénierie poli dans les moindres détails. L'efficacité supplémentaire d'un demi pour cent que les enroulements supraconducteurs du transformateur peuvent-ils valoir vaut-elle le coût et l'organisation d'une économie cryogénique spéciale, le recyclage des ingénieurs et le rééquipement de la production? Pourquoi réinventer la roue? L'analyse initiale montre qu'il n'y a pas besoin. Cependant, permettez-moi de vous donner un argument, qui est devenu la raison pour laquelle cet article est devenu possible plus tard: "Et si le vélo sera une urgence?".

Avantages d'un transformateur avec enroulements HTSC par rapport aux conventionnels:

- Absence quasi totale de pertes d'énergie dans les enroulements (les fils sont supraconducteurs, ils ne chauffent pas);
- Sécurité contre les explosions et les incendies (l'azote liquide, contrairement à l'huile de transformateur, n'émet pas de gaz explosifs);
- Moins de poids et de dimensions (la densité de courant dans un fil supraconducteur peut être 10 fois supérieure à celle du cuivre, à tension égale);
- Capacité à limiter les courants de court-circuit .

Malgré la forte composante des trois premiers avantages, ils s'estompent tous devant le joug de l'énorme prix à payer pour la supraconductivité. Par conséquent, je crains que le succès commercial des transformateurs HTSC ne puisse avoir lieu, sauf dans des types de technologies militaires et spatiales particulièrement exigeants ou dans des installations spéciales en termes de sécurité incendie. Cependant, la quatrième propriété peut changer radicalement l'image, et pour moi personnellement, elle semble à elle seule suffisante non seulement pour attirer l'attention sur le paradigme HTSC, mais aussi pour mener des recherches. En fait, comme beaucoup de mes collègues du monde entier l'ont fait, prenez au moins des œuvres [1-3].
Quelle est l'astuce ici?

À propos de la physique limitante actuelle

À l'heure actuelle, en parlant de fils HTSC dans le contexte de l'industrie de l'énergie électrique, nous parlons presque toujours de bandes HTSC composites à base de composés céramiques. Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous, un supraconducteur (couche YBCO) déposé sur un substrat métallique est recouvert de tous côtés par une couche protectrice. Certains métaux et leurs alliages, comme le cuivre, peuvent servir de couche protectrice. Naturellement, ces matériaux ne possèdent pas de propriétés supraconductrices à la température de l'azote liquide, ce qui signifie que si la supraconductivité disparaît pour une raison quelconque dans la céramique YBCO, alors tout le courant est parallélisé entre ces couches, conformément à leur résistance résistive.


Tout courant est proportionnel à la tension appliquée à une résistance donnée, ce qui signifie que si soudainement, de nulle part, une résistance apparaît dans un circuit où elle n'était pas auparavant (supraconductivité effondrée), alors le courant (à une tension constante) diminuera. De plus, le degré de cette diminution dépend de la résistance des matériaux environnants, la couche HTSC. Mais comment détruire la supraconductivité? Il y a en fait 2 façons fondamentales: augmenter la température au-dessus de la critique, à laquelle la supraconductivité ne peut pas exister ou agir sur un champ magnétique HTSC au-dessus de la critique. De plus, si un courant traverse le supraconducteur, il crée également un champ magnétique, qui essaie de pénétrer dans ce supraconducteur, et si le courant crée un champ trop grand, alors la supraconductivité commence à s'effondrer progressivement . Le courant auquel la supraconductivité commence à s'effondrer est appelé critique .

Nous construisons un transformateur!

Eh bien, c'est tout! Maintenant, je suis sûr que vous comprenez suffisamment pour commencer à construire un transformateur et, croyez-moi, ce fut un voyage vraiment excitant pour moi, car si enrouler un fil pour un transformateur conventionnel (bonjour à ceux qui l'ont enroulé) est une chose très scrupuleuse et plutôt fastidieuse, puis avec un transformateur HTSC, la complexité augmente parfois. Surtout quand un tel appareil est assemblé à partir de matériaux improvisés. Nous comprenons pourquoi!

Cadres d'enroulement

L'un des graves inconvénients d'un transformateur HTSC est que le noyau n'est pas et ne peut pas être supraconducteur. Par conséquent, nous avons deux options pour quoi faire, chauffer et imperméabiliser le noyau des enroulements, augmenter la distance entre celui-ci et les enroulements et réduire l'efficacité, ou enfoncer le noyau dans l'azote avec les enroulements, créant une grande chaudière pour l'azote, car la perte au ralenti du transformateur est nulle part pour le faire. Nous avons décidé d'emprunter la première voie en réalisant un cryostat sous la forme d'un cylindre creux. Pourquoi ont-ils choisi cela comme cadre pour l'enroulement secondaire (qui est plus proche du noyau):


Tuyau en polypropylène et papier d'emballage à côté

Tuyau d'un diamètre intérieur de 100 mm. en polypropylène est un agent imperméabilisant idéal, mais pas une très bonne isolation thermique. De plus, certains types de plastique ont tendance à rétrécir à basse température, ce qui peut déformer l'enroulement enroulé directement sur un tel tuyau avec le tuyau. Par conséquent, il a été décidé de renforcer en plus ce tuyau en l'enveloppant sur du papier imprégné de résine époxy. Il n'y a eu aucun problème avec le papier, vous pouvez en obtenir un en abondance à la sortie de différents (grands) magasins de construction (ala Leroy), où il est gratuit. Composé plus dur. Nous n'avions aucune expérience de travail avec des textolites à base de papier faites maison et nous ne savions pas comment un cadre imprégné de papier se comporterait à -196 degrés Celsius. Nous avons consulté et décidé de prendre le premier époxy ED-20 rencontré. Lors de l'achat de la résine, nous avons été avertis que le durcisseur (le deuxième composant avec lequel la résine est mélangée, après quoi il durcit pendant la réaction chimique) fonctionne en 20 minutes. Pourquoi est-il devenu immédiatement clair qu'il serait impossible de tergiverser et que le papier devrait être trempé rapidement. Pour cela, de fidèles camarades d'armes sont apparus à l'image d'un convoyeur humain.


Convoyeur d'imprégnation de résine époxy improvisé

L'odeur était, franchement, pas très. Et prenez soin de vos mains lorsque vous travaillez avec des composés!


Processus d'imprégnation du papier

Le deuxième cadre (pour l'enroulement extérieur) a déjà été réalisé à l'image et à la ressemblance du premier et directement au-dessus. Pour empêcher les cadres de coller les uns aux autres, ils ont mis un peu de matériau aléatoire, qui pourrait plus tard être déchiré. Le résultat est:


Filaires finis

Pour résumer cette partie, je dirai qu'il n'y a probablement pas de moyen moins cher de créer deux cadres non magnétiques, non métalliques, cryostables et suffisamment solides. L'élément le plus cher dans la création du cadre était, bien sûr, un composé de ~ 500 p. / Kg., Suivi d'un tuyau en PP, puis de brosses, de gants - ceci est facultatif.

Enroulement

L'élément central et le plus cher de cette histoire est peut-être les enroulements HTSC eux-mêmes. La raison pour laquelle le mot «presque» apparaît dans le titre de l'article est le prix. 40 mètres de ruban supraconducteur à haute température d'une largeur de 4 mm et d'une épaisseur de 0,1 mm, avec un courant critique de 80 A., ont été achetés par nous au prix de 2500 roubles / mètre. C'est clairement physique. il est peu probable qu'une personne paie pour cela. Voyons leur grandeur éblouissante et chère.


La partie éblouissante de ce projet

En plus du coût élevé du HTSC, le ruban est également un matériau très fantaisiste. Elle n'aime pas une forte surchauffe (plus de 500 degrés), elle a un grand rayon de courbure limite (environ 20 mm, lorsqu'elle est dépassée, la déformation du supraconducteur commence), elle ne peut pas non plus être tordue, ridée, battue. Tout cela transforme le travail avec les fils HTSC en une sorte d'art de bijoux. Comment allons-nous tourner?

Honnêtement, la méthode d'enroulement de la bande sur le cadre est probablement la plus primitive. Le ruban est recouvert le long d'un côté de ruban Kapton et les bords du ruban dépassant du ruban sont collés avec le ruban sur le cadre. En conséquence, pendant le processus d'enroulement, nous obtenons deux facteurs qui maintiennent l'enroulement sur le cadre: le ruban adhésif et la surface du PCB et la force de friction du ruban sur la même surface. En conséquence, étonnamment, cela s'est avéré assez fiable.

La bande Kapton n'est pas sélectionnée au hasard. Le fait est que tous les matériaux ne peuvent pas être une isolation fiable à basse température. Par exemple, un ruban adhésif ordinaire devient presque du verre et rétrécit. Le ruban isolant rétrécit également. Les vernis isolants électriques se fissurent (mais pas tous), l'isolant en PVC se rétrécit également. Le ruban Kapton (ou polyimide) se comporte extrêmement calmement à basse température (ainsi qu'à haute), il est traditionnellement choisi pour les fils HTSC lorsque vous devez faire quelque chose "rapidement", bien qu'il faut dire qu'il n'est pas bon marché par rapport à l'ordinaire avec du ruban adhésif. Lorsque vous devez faire quelque chose de solide, utilisez tout de même un revêtement à base de polyimide.


Le processus d'enroulement de l'enroulement externe (primaire)

En fait, le transformateur avec le nombre de tours 50:25 était enroulé, en pratique il s'est avéré un peu moins, mais pas le point. L'enroulement primaire (extérieur) était à démarrage unique (une bobine sur toute la hauteur), l'enroulement secondaire (intérieur) était à deux démarrages (deux spirales vont en alternance). Cela donne en fait un courant critique de primaire = 80 A et de secondaire 160A. Si nous prenons en compte que la tension secteur (sous laquelle le transformateur a été fabriqué) = 220 V. Ensuite, nous obtenons environ 10 kW de puissance transmise avec presque aucune perte, en une quantité plutôt faible. Résultats d'enroulement:


Enroulements de transformateur HTSC primaire (gauche) et secondaire (droite)

Soudure

Nous sommes arrivés au processus très nerveux de fabriquer un transformateur. Comme mentionné ci-dessus, un supraconducteur n'est pas un fan de températures élevées. Lorsque nous parlons d'un fil de cuivre qui peut supporter 60 à 80 ampères pendant une longue période sans vraiment surchauffer, nous entendons des sections transversales de 16 ou 25 mm ^ 2. Ce sont des fils assez massifs et coquins, qui sont difficiles à donner la forme élégante souhaitée pour une soudure facile avec un ruban HTSC de 4 mm. Si vous prenez un fer à souder suffisamment puissant et une soudure sans prétention, vous pouvez surchauffer le ruban. Par conséquent, il est préférable de prendre une soudure à l'indium et à l'étain avec un point de fusion de ~ 103 degrés. C. Mieux encore, faites-le fondre dans un bain de soudure, couvrez le ruban et le fil avec de l'acide de soudure et obtenez une lueur fabuleuse d'auto-adoration grâce à un travail bien fait pour repousser le métal chaud.

La nuance. Il est préférable de souder les contacts de courant, sans épargner la zone de la bande, pour une meilleure entrée de courant. Nous avons pris des bandes de 3 cm sur la surface de contact avec le contact actuel, mais d'autres peuvent l'être. Nous avons retiré les contacts de tension du courant de quelques centimètres, afin de ne pas mesurer la chute de tension au point de contact, mais directement sur l'enroulement. Malheureusement, seule la photo de la finale de cette action a été conservée.


Enroulements avec contacts

Cryostat

La partie finale et la plus artisanale de notre production. Le cryostat était fait de mousse et de mastic acrylique. Et c'est tout. Malheureusement, toutes les marques de mousse ne feront pas l'affaire. Le polyfoam à gros granules, lorsque l'azote y pénètre, s'autodétruit immédiatement avec un coup et un crash.


Mauvaise mousse de polystyrène (gauche) et mousse de polystyrène correcte (droite)

Quant au scellant, alors, en plus des blagues, ils ont pris le moins cher de ceux qui l'étaient. Je ne sais pas quel est le truc. L'essentiel est que le mastic soit en acrylique, pas en silicone, car ce dernier (comme on nous l'a assuré en magasin) peut corroder la mousse.

Le cryostat a été préfabriqué, des carrés avec des trous ronds ont été découpés de sorte que toute la structure finisse par s'insérer à l'intérieur, tandis qu'un tube dépassait à l'extérieur du cryostat, dans lequel le circuit magnétique est censé être placé à l'avenir. En d'autres termes:


Cryostat préfabriqué

Comme vous pouvez le voir sur la photo, les joints de toute la structure ont été graissés et imprégnés de scellant. C'est à portée de main que le scellant durcit avec de l'azote et ressemble à un fromage très épais au toucher, et il remplit extrêmement bien ses fonctions. À la dernière étape, un fond spécial est découpé sous le tube de cadre sur lequel il est installé et, finalement, toute cette structure est assemblée en un seul transformateur HTSC.


Transformateur HTSC

En conséquence, nous avons obtenu:

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


Les expériences

Je pense que chaque expérimentateur a connu au moins une fois ce mélange d'appréhension et de cruauté avec lequel il a tourmenté sa «bête nouvellement créée». Bien entendu, le transformateur HTSC a été créé pour être incinéré. Cependant, nous l'incinérerons soigneusement - scientifiquement.

Ici, je vais montrer l'expérience principale pour laquelle le transformateur a été fabriqué. Court-circuitez l'enroulement secondaire et utilisez l'interrupteur pour appliquer une tension à l'enroulement primaire du secteur (220 V). Étant donné que les résistances de l'enroulement primaire et de l'enroulement secondaire couplé magnétiquement à celui-ci (par l'air) sont faibles, des courants assez importants circuleront dans les circuits. Ces courants dépasseront le niveau critique de 80 A et, par conséquent, détruiront la supraconductivité, à cause de laquelle l'enroulement HTSC commencera progressivement à acquérir une résistance électrique finie, qui à son tour entraînera une limitation de courant. Ce que nous allons fixer sous la forme d'un courant sinusoïdal déformé. Et l'apparition sur la forme d'onde de la tension de certaines valeurs finales (au lieu de zéro en mode normal). Les mesures seront prises à l'aide d'un appareil inattendu pour une expérience donnée: un analyseur de qualité de l'énergie électrique . C'est inattendu car le taux d'échantillonnage de cet appareil en mode oscilloscope laisse beaucoup à désirer. Mais que faire. Jetons néanmoins un coup d'œil à l'image qualitative de ce qui se passe.


Oscillogrammes de courants (les points sur les graphiques correspondent aux données réelles capturées)

Les oscillogrammes à gauche (à titre de comparaison) montrent le mode court-circuit si le transformateur n'est pas rempli d'azote liquide: on voit une sinusoïde légèrement déformée mais silencieuse du courant de court-circuit, qui est éteinte par un disjoncteur après une période (la figure montre une demi-période). Le mode court-circuit est illustré à droite si le cryostat est pré-rempli d'azote liquide: on observe une forte augmentation initiale du courant, qui se courbe progressivement (à partir de 150 A) sous l'influence d'une résistance croissante. Cependant, en raison de la valeur plus élevée du courant de court-circuit, le disjoncteur se déclenche déjà dans le premier demi-cycle.

Hélas, nous ne nous contentons que de ces résultats qualitatifs, mais dans un avenir proche, nous en ferons certainement bien d'autres.

Conclusion

Bien sûr, le transformateur HTSC laisse beaucoup de controverse derrière lui. Ces contradictions se manifestent même dans la méthode artisanale de fabrication d'un appareil aussi complexe. Que pouvons-nous dire des vrais échantillons opérationnels, que vous pouvez trouver sur [1,3]. La véritable industrie de l'énergie électrique HTSC est allée de l'avant avec le développement de câbles et de limiteurs de courant, rencontrant des difficultés même dans ces unités plus développées. Vous pouvez vous familiariser avec eux de manière assez populaire sans quitter ce site, par exemple ici .

Néanmoins, quelle que soit la contradiction de ce domaine des connaissances en ingénierie, seuls ceux qui peuvent justifier leur innocence resteront en fin de compte, nous allons donc essayer.

Et en tout cas, c'est terriblement intéressant!

Merci de votre attention!
Cordialement, DOK.

Merci aussi à:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich et l'équipe VNIIKP pour leur aide et leurs conseils de cette manière difficile.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich pour un soutien gigantesque et le désir de développer ce domaine à partir de zéro!