Transformator superkonduktor DIY

Pada dekat 2016, seorang mahasiswa tahun keempat yang masih muda, tetapi sangat mengesankan di Fakultas Energi dipengaruhi oleh sebuah artikel di mana penulis dengan sangat populer menunjukkan apa superkonduktor suhu tinggi hari ini (selanjutnya disebut sebagai HTSC). Buta oleh keinginan untuk menghidupkan kembali dalam jiwanya industri tenaga listrik yang agak monoton dan sangat konservatif, membuat jalan melalui tabir kontradiksi dan kurangnya keuangan, sarjana muda dan rekan-rekannya tetap membangun sebuah transformator dengan belitan dari superkonduktor suhu tinggi.

Selamat membaca!

Mengapa membuat transformer superkonduktor?

Produk konstruksi transformator saat ini benar-benar telah mencapai, dalam arti tertentu, ideal. Transformator daya besar, yang sama yang ada di gardu induk atau transformator besi (TP-ears) di halaman Anda, serta perwakilan yang lebih besar memiliki efisiensi sekitar 99%. Sejumlah besar dokumen peraturan mengatur operasi, diagnostik, metode pemasangan dan pembuatan transformator tersebut, dan pada konferensi dan pameran semakin banyak perwakilan dengan mur inovatif di inti sirkuit magnetik atau minyak revolusioner dengan pengurangan konsentrasi gas terlarut di dalamnya.


Representatif Transformer Daya Khas

Dan, tampaknya, di mana kita dengan bodohnya naik ke bidang teknik yang dipoles hingga detail terkecil. Apakah ekstra setengah persen efisiensi yang dapat diberikan oleh belitan superkonduktor transformator sepadan dengan biaya dan organisasi ekonomi kriogenik khusus, pelatihan ulang insinyur dan peralatan produksi ulang? Mengapa menemukan kembali roda? Analisis awal menunjukkan bahwa tidak perlu. Namun, izinkan saya memberi Anda satu argumen, yang menjadi alasan mengapa artikel ini menjadi mungkin nanti: "Bagaimana jika sepeda akan menjadi darurat?".

Keuntungan transformator dengan belitan HTSC dibandingkan konvensional:

- Hampir tidak ada sama sekali kehilangan energi di belitan (kabel superkonduktor, mereka tidak memanas);
- Ledakan dan keamanan api (nitrogen cair, tidak seperti minyak transformator, tidak mengeluarkan gas yang mudah meledak);
- Kurang berat dan dimensi (kerapatan arus dalam kabel superkonduktor dapat 10 kali lebih tinggi dari pada tembaga, dengan tegangan yang sama);
- Kemampuan untuk membatasi arus hubung singkat .

Meskipun komponen kuat dari tiga keunggulan pertama, mereka semua memudar di depan kuk dari harga yang sangat besar yang harus dibayar untuk superkonduktivitas. Oleh karena itu, saya khawatir kesuksesan komersial transformer HTSC dapat terjadi, kecuali dalam jenis teknologi militer dan ruang angkasa yang menuntut atau pada fasilitas yang khusus dalam hal keselamatan kebakaran. Namun, properti keempat dapat secara dramatis mengubah gambar, dan bagi saya pribadi, itu saja tampaknya cukup untuk tidak hanya menarik perhatian pada paradigma HTSC, tetapi juga untuk melakukan penelitian. Sebenarnya, seperti yang dilakukan banyak kolega saya di seluruh dunia, setidaknya lakukan pekerjaan [1-3].
Apa masalahnya di sini?

Tentang fisika yang membatasi saat ini

Saat ini, berbicara tentang kabel HTSC dalam konteks industri tenaga listrik, kita hampir selalu berbicara tentang kaset HTSC komposit berdasarkan senyawa keramik. Seperti dapat dilihat dari gambar di bawah ini, superkonduktor (lapisan YBCO) yang diendapkan pada substrat logam ditutup pada semua sisi oleh beberapa lapisan pelindung. Beberapa logam dan paduannya, seperti tembaga, dapat bertindak sebagai lapisan pelindung ini. Secara alami, bahan-bahan ini tidak memiliki sifat superkonduktor pada suhu nitrogen cair, yang berarti bahwa jika superkonduktivitas untuk beberapa alasan menghilang dalam keramik YBCO, maka semua arus diparalelkan di antara lapisan-lapisan ini, sesuai dengan resistensi resistifnya.


Setiap arus sebanding dengan tegangan yang diterapkan pada resistansi tertentu, yang berarti bahwa jika tiba-tiba, entah dari mana, resistansi muncul di sirkuit yang sebelumnya tidak ada (superkonduktivitas runtuh), maka arus (pada tegangan konstan) akan berkurang. Selain itu, tingkat penurunan ini tergantung pada ketahanan material di sekitarnya, lapisan HTSC. Tetapi bagaimana cara menghancurkan superkonduktivitas? Sebenarnya ada 2 cara mendasar: untuk menaikkan suhu di atas yang kritis, di mana superkonduktivitas tidak bisa ada atau bertindak pada medan magnet HTSC di atas yang kritis. Selain itu, jika arus mengalir melalui superkonduktor, maka ia juga menciptakan medan magnet, yang mencoba menembus ke dalam superkonduktor ini, dan jika arus menciptakan medan yang terlalu besar, maka superkonduktivitas mulai runtuh secara bertahap . Arus di mana superkonduktivitas mulai runtuh disebut kritis .

Kami sedang membangun transformator!

Yah, itu dia! Sekarang, saya yakin Anda cukup memahami untuk mulai membangun trafo, dan, percayalah, itu adalah perjalanan yang sangat menyenangkan bagi saya, karena jika melilitkan kawat untuk trafo konvensional (halo bagi mereka yang melukainya) adalah hal yang sangat teliti dan agak membosankan, kemudian dengan transformator HTSC, kompleksitas meningkat pada waktu-waktu tertentu. Terutama ketika perangkat seperti itu dirakit dari bahan improvisasi. Kami mengerti mengapa!

Bingkai berliku

Salah satu kelemahan serius transformator HTSC adalah bahwa intinya bukan dan tidak bisa superkonduktor. Oleh karena itu, kami memiliki dua opsi untuk apa yang harus dilakukan, panas dan tahan air inti dari belitan, meningkatkan jarak antara belitan dan belitan dan mengurangi efisiensi, atau mendorong inti dalam nitrogen bersama dengan belitan, membuat boiler besar untuk nitrogen, karena kehilangan idle transformator tidak ada dimanapun untuk melakukannya. Kami memutuskan untuk pergi dengan cara pertama, membuat cryostat dalam bentuk silinder berongga. Mengapa mereka memilih ini sebagai bingkai untuk belitan sekunder (yang lebih dekat ke inti):


Pipa polypropylene dan kertas pembungkus di sebelahnya

Pipa dengan diameter bagian dalam 100 mm. terbuat dari polypropylene adalah agen waterproofing yang ideal, tetapi bukan isolasi termal yang sangat baik. Selain itu, beberapa jenis plastik cenderung menyusut pada suhu rendah, karena luka berliku langsung pada pipa tersebut dapat terdeformasi bersama dengan pipa. Oleh karena itu, diputuskan untuk memperkuat pipa ini dengan membungkusnya di atas kertas yang diresapi dengan resin epoksi. Tidak ada masalah dengan kertas, Anda bisa mendapatkannya dalam jumlah banyak di pintu keluar berbagai toko konstruksi (besar) (ala Leroy), tempat itu gratis. Senyawa lebih keras. Kami tidak memiliki pengalaman bekerja dengan textolites berbasis kertas buatan rumah, dan kami tidak tahu bagaimana kerangka yang diresapi kertas akan berperilaku pada -196 derajat Celcius. Kami berkonsultasi dan memutuskan untuk mengambil epoksi ED-20 pertama yang ditemukan. Saat membeli resin, kami diperingatkan bahwa hardener (komponen kedua yang dicampur resin, setelah itu mengeras selama reaksi kimia) bekerja dalam 20 menit. Mengapa segera menjadi jelas bahwa tidak mungkin untuk menunda-nunda dan bahwa kertas perlu diresapi dengan cepat. Untuk ini, kawan seperjuangan yang setia muncul dalam citra konveyor manusia.


Perbaikan conveyor impregnasi epoksi resin

Bau itu, terus terang, tidak terlalu. Dan rawat tangan Anda saat bekerja dengan senyawa!


Proses impregnasi kertas

Bingkai kedua (untuk belitan luar) sudah dibuat dalam gambar dan rupa yang pertama dan langsung di atasnya. Untuk mencegah bingkai saling menempel, mereka meletakkan sedikit bahan acak, yang nantinya bisa robek. Hasilnya adalah:


Gambar rangka jadi

Meringkas bagian ini, saya akan mengatakan bahwa mungkin tidak ada cara yang lebih murah untuk membuat dua frame non-magnetik, non-logam, cryostable dan cukup kuat. Elemen paling mahal dalam membuat bingkai, tentu saja, adalah senyawa ~ 500 p. / Kg., Diikuti oleh pipa PP, dan kemudian sikat, sarung tangan - ini opsional.

Belitan

Mungkin elemen sentral dan termahal dari cerita ini adalah gulungan HTSC sendiri. Alasan kata "hampir" muncul di judul artikel adalah harga. 40 meter pita superkonduktor suhu tinggi dengan lebar 4 mm dan ketebalan 0,1 mm, dengan arus kritis 80 A., dibeli oleh kami dengan harga 2.500 rubel / meter. Itu jelas fisiknya. orang itu tidak mungkin membayar untuk hal seperti itu. Mari kita lihat keagungan mereka yang luar biasa mahal.


Bagian yang luar biasa mahal dari proyek ini

Selain biaya tinggi HTSC, rekaman itu juga merupakan bahan yang sangat aneh. Dia tidak suka overheating yang kuat (lebih dari 500 derajat), dia memiliki radius bending yang besar (sekitar 20 mm, ketika terlampaui, deformasi superkonduktor dimulai), dia juga tidak bisa dipelintir, berkerut, berdetak. Semua ini mengubah pekerjaan dengan kabel HTSC menjadi semacam seni perhiasan. Bagaimana kita akan berputar?

Sejujurnya, metode melilitkan pita pada bingkai mungkin adalah yang paling primitif. Kaset ditutup sepanjang satu sisi dengan pita Kapton, dan ujung-ujung pita yang menonjol di luar pita itu direkatkan bersama dengan pita ke bingkai. Akibatnya, selama proses belitan, kami memperoleh dua faktor yang menahan belitan pada bingkai: pita perekat dan permukaan PCB dan gaya gesekan pita pada permukaan yang sama. Alhasil, secara mengejutkan, ternyata cukup andal.

Pita kapton tidak dipilih secara acak. Faktanya adalah bahwa tidak setiap bahan dapat menjadi insulasi yang dapat diandalkan pada suhu rendah. Sebagai contoh, pita perekat biasa menjadi hampir kaca dan menyusut. Pita isolasi juga menyusut. Pernis isolasi listrik retak (meskipun tidak semua), isolasi PVC juga menyusut. Pita Kapton (atau polimida) berperilaku sangat tenang pada suhu rendah (dan juga pada suhu tinggi), itu secara tradisional dipilih untuk kabel HTSC ketika Anda perlu melakukan sesuatu "dengan cepat", meskipun harus dikatakan bahwa itu tidak murah dibandingkan dengan yang biasa dengan tape. Saat Anda perlu melakukan sesuatu yang padat, gunakan lapisan yang sama berdasarkan polimida.


Proses belitan bagian luar (primer)

Sebenarnya, trafo dengan jumlah belokan 50:25 adalah angin, dalam prakteknya ternyata sedikit kurang, tetapi bukan itu intinya. Gulungan primer (luar) adalah satu-mulai (satu koil di sepanjang seluruh ketinggian), gulungan sekunder (dalam) adalah dua-mulai (dua spiral pergi bergantian). Itu benar-benar memberikan arus kritis primer = 80 A dan untuk 160A sekunder. Jika kita memperhitungkan bahwa tegangan listrik (di mana transformator dibuat) = 220 V. Kemudian kita mendapatkan sekitar 10 kW daya yang ditransmisikan dengan hampir tidak ada kehilangan, dalam jumlah yang agak kecil. Hasil belitan:


Gulungan transformator HTSC primer (kiri) dan sekunder (kanan)

Solder

Kami sampai pada proses pembuatan trafo yang sangat gugup. Seperti disebutkan di atas, superkonduktor bukanlah penggemar suhu tinggi. Ketika kita berbicara tentang kawat tembaga yang dapat membawa 60-80 Ampere untuk waktu yang lama tanpa terlalu panas, yang kami maksud adalah 16 atau 25 mm ^ 2 penampang. Ini adalah kabel yang cukup besar dan nakal, yang sulit untuk memberikan bentuk elegan yang diinginkan untuk penyolderan mudah dengan pita HTSC 4 mm. Jika Anda mengambil besi solder yang cukup kuat dan solder sederhana, maka Anda dapat memanaskan kasetnya. Oleh karena itu, lebih baik untuk mengambil solder Timah Indium dengan titik leleh ~ 103 derajat. C. Lebih baik lagi, meleburnya dalam rendaman solder, tutup selotip dan kawat dengan asam solder dan dapatkan cahaya adorasi luar biasa dari pekerjaan yang dilakukan dengan baik dalam memukul mundur logam panas.

Nuansa itu. Lebih baik menyolder kontak saat ini, bukan menyisakan area pita, untuk input arus yang lebih baik. Kami mengambil 3 cm. Kaset di permukaan kontak dengan kontak saat ini, tetapi lebih banyak yang bisa. Kami melepaskan kontak tegangan dari arus dengan beberapa sentimeter, agar tidak mengukur penurunan tegangan pada titik kontak, tetapi langsung pada belitan. Sayangnya, hanya foto akhir dari tindakan ini yang dipertahankan.


Gulungan dengan kontak

Cryostat

Bagian terakhir dan paling artisanal dari produksi kami. Cryostat terbuat dari busa dan sealant akrilik. Dan itu dia. Sayangnya, tidak semua merek busa akan melakukannya. Polyfoam dengan butiran besar, ketika nitrogen memasukinya, segera hancur dengan ledakan dan tabrakan.


Busa polistiren salah (kiri) dan busa polistiren yang benar (kanan)

Adapun sealant, maka, selain lelucon, mereka mengambil yang termurah dari yang ada. Saya tidak tahu apa masalahnya. Hal utama adalah bahwa sealant harus akrilik, bukan silikon, karena yang terakhir (seperti yang kami yakini di toko) dapat menimbulkan korosi pada busa.

Cryostat dibuat sebelumnya, kotak dengan lubang bundar dipotong sehingga seluruh struktur akhirnya masuk, sementara tabung menonjol di luar cryostat, di mana sirkuit magnetik seharusnya ditempatkan di masa depan. Dengan kata lain:


Cryostat Pracetak

Seperti yang Anda lihat di foto, sambungan seluruh struktur dilumasi dan direndam dengan sealant. Di tangan sealant mengeras dengan nitrogen dan menyerupai keju yang sangat kental saat disentuh, dan sealant menjalankan fungsinya dengan sangat baik. Pada tahap terakhir, bagian bawah khusus dipotong di bawah pipa rangka tempat ia dipasang dan, akhirnya, seluruh struktur ini dirakit menjadi transformator HTSC tunggal.


Transformator HTSC

Sebagai hasilnya, kami mendapat:

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


Eksperimennya

Saya pikir setiap eksperimen setidaknya sekali mengalami campuran kegelisahan dan kekejaman yang dengannya dia menyiksa "binatang buas yang baru dibuatnya." Tentu saja, transformator HTSC dibuat untuk dibakar. Namun, kami akan membakar dengan hati-hati - secara ilmiah.

Di sini saya akan menunjukkan pengalaman utama transformator dibuat. Hubung singkat lilitan sekunder dan gunakan sakelar untuk mengalirkan tegangan ke belitan primer dari listrik (220 V). Karena hambatan dari belitan primer dan belitan sekunder yang secara magnetis digabungkan dengannya (melalui udara) adalah kecil, arus yang cukup besar akan mengalir di sirkuit. Arus ini akan melampaui level kritis 80 A dan, karenanya, menghancurkan superkonduktivitas, karena itu belitan HTSC secara bertahap akan mulai memperoleh hambatan listrik yang terbatas, yang pada gilirannya akan menyebabkan keterbatasan arus. Apa yang akan kita perbaiki dalam bentuk arus sinusoid yang terdistorsi. Dan penampilan pada bentuk gelombang dari tegangan beberapa nilai akhir (bukan nol dalam mode normal). Pengukuran akan dilakukan dengan bantuan perangkat yang tidak terduga untuk percobaan yang diberikan: penganalisa kualitas daya listrik . Ini tidak terduga karena laju pengambilan sampel perangkat ini dalam mode osiloskop menyisakan banyak yang diinginkan. Tetapi apa yang harus dilakukan. Namun demikian, mari kita lihat gambaran kualitatif tentang apa yang terjadi.


Oscillogram arus (titik pada grafik sesuai dengan data yang ditangkap aktual)

Osilogram di sebelah kiri (sebagai perbandingan) menunjukkan mode hubung singkat jika transformator tidak diisi dengan nitrogen cair: kita melihat sinusoid yang agak terdistorsi tetapi hening dari arus hubung singkat, yang dimatikan oleh pemutus sirkuit setelah periode (angka menunjukkan setengah periode). Mode hubung singkat ditunjukkan di sebelah kanan jika cryostat diisi dengan nitrogen cair: kita melihat peningkatan awal yang kuat dalam arus, yang secara bertahap (mulai dari 150 A) membungkuk di bawah pengaruh peningkatan resistensi. Namun, karena nilai yang lebih besar dari arus hubung singkat, pemutus sirkuit trip sudah dalam setengah siklus pertama.

Sayangnya, kami puas dengan hanya hasil kualitatif ini, tetapi dalam waktu dekat kami pasti akan melakukan banyak lainnya.

Kesimpulan

Tentu saja, transformator HTSC menyisakan banyak kontroversi. Kontradiksi-kontradiksi ini dimanifestasikan bahkan dalam metode artisanal pembuatan alat yang sedemikian kompleks. Apa yang dapat kami katakan tentang sampel operasi nyata, yang dapat Anda temukan di [1,3]. Industri tenaga listrik HTSC yang sesungguhnya telah jauh maju dengan pengembangan kabel dan pembatas arus, mengalami kesulitan bahkan dalam unit yang lebih maju ini. Anda dapat membiasakan diri dengan mereka cukup populer tanpa meninggalkan situs ini, misalnya di sini .

Namun demikian, tidak peduli seberapa kontradiktif bidang pengetahuan teknik ini, pada akhirnya hanya mereka yang dapat membenarkan ketidakbersalahan mereka akan tetap benar, jadi kami akan mencoba.

Dan bagaimanapun juga, ini sangat menarik!

Terima kasih atas perhatian anda!
Hormat saya.

Terima kasih juga kepada:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich dan tim VNIIKP atas bantuan dan saran mereka dengan cara yang sulit ini.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich untuk dukungan raksasa dan keinginan untuk mengembangkan daerah ini dari awal!