Transformador supercondutor DIY

No próximo ano de 2016, um jovem, mas muito impressionante aluno do quarto ano da Faculdade de Energia foi influenciado por um artigo no qual o autor mostrou muito popular quais são os supercondutores de alta temperatura atuais (a seguir denominados HTSC). Cego pelo desejo de reviver em sua alma uma indústria de energia elétrica bastante monótona e extremamente conservadora, percorrendo o véu de contradições e uma aguda falta de financiamento, o jovem solteiro e seus colegas construíram um transformador com enrolamentos de um supercondutor de alta temperatura.

Boa leitura!

Por que tornar os transformadores supercondutores?

Os produtos atuais da construção de transformadores realmente alcançaram, em certo sentido, um ideal. Transformadores de potência grandes, os mesmos que existem em subestações de transformadores de tijolo ou ferro (orelhas de TP) no seu quintal, assim como representantes maiores têm uma eficiência de cerca de 99%. Um grande número de documentos regulatórios regula a operação, diagnóstico, método de instalação e criação de tais transformadores e, em conferências e exposições, há cada vez mais representantes com uma porca inovadora no núcleo do circuito magnético ou óleo revolucionário com uma concentração reduzida de gases dissolvidos.


Representante típico do transformador de potência

E, ao que parece, onde nós ignoramos escalar esse campo da engenharia polido nos mínimos detalhes. A eficiência extra de meio por cento que os enrolamentos supercondutores do transformador podem valer o custo e a organização de uma economia criogênica especial, a reciclagem de engenheiros e o reequipamento da produção? Por que reinventar a roda? A análise inicial mostra que não há necessidade. No entanto, deixe-me apresentar um argumento, que se tornou a razão pela qual este artigo se tornou possível posteriormente: “E se a bicicleta for uma emergência?”.

Vantagens de um transformador com enrolamentos HTSC em relação aos convencionais:

- Ausência quase completa de perdas de energia nos enrolamentos (os fios são supercondutores, não aquecem);
- Segurança contra explosão e incêndio (nitrogênio líquido, diferentemente do óleo do transformador, não emite gases explosivos);
- Menos peso e dimensões (a densidade de corrente em um fio supercondutor pode ser 10 vezes maior que a do cobre, com tensão igual);
- Capacidade de limitar correntes de curto-circuito .

Apesar do forte componente das três primeiras vantagens, todas elas desaparecem antes do jugo do enorme preço que deve ser pago pela supercondutividade. Portanto, receio que o sucesso comercial dos transformadores HTSC possa ocorrer, exceto em tipos particularmente exigentes de tecnologia militar e espacial ou em instalações especiais em termos de segurança contra incêndio. No entanto, a quarta propriedade pode mudar drasticamente a imagem e, para mim, pessoalmente, parece suficiente não apenas chamar a atenção para o paradigma HTSC, mas também realizar algumas pesquisas. Na verdade, como muitos de meus colegas de todo o mundo fizeram, realizam pelo menos trabalhos [1-3].
Qual é o truque aqui?

Sobre a física limite atual

No momento, falando sobre fios HTSC no contexto da indústria de energia elétrica, quase sempre falamos sobre fitas compostas HTSC baseadas em compostos cerâmicos. Como pode ser visto na imagem abaixo, um supercondutor (camada YBCO) depositado em um substrato metálico é coberto por todos os lados por alguma camada protetora. Alguns metais e suas ligas, como o cobre, podem atuar como essa camada protetora. Naturalmente, esses materiais não possuem propriedades supercondutoras à temperatura do nitrogênio líquido, o que significa que, se por algum motivo a supercondutividade desaparecer na cerâmica YBCO, toda a corrente será paralelizada entre essas camadas, de acordo com sua resistência resistiva.


Qualquer corrente é proporcional à tensão aplicada a uma dada resistência, o que significa que, se de repente, do nada, uma resistência aparecer em um circuito onde não existia antes (a supercondutividade entrou em colapso), a corrente (a uma tensão constante) diminuirá. Além disso, o grau dessa diminuição depende da resistência dos materiais circundantes, a camada HTSC. Mas como destruir a supercondutividade? Na verdade, existem 2 maneiras fundamentais: elevar a temperatura acima da crítica, na qual a supercondutividade não pode existir ou agir em um campo magnético HTSC acima da crítica. Além disso, se uma corrente flui através do supercondutor, ela também cria um campo magnético, que tenta penetrar nesse supercondutor e, se a corrente cria um campo muito grande, a supercondutividade começa a entrar em colapso gradualmente . A corrente na qual a supercondutividade começa a entrar em colapso é chamada de crítica .

Estamos construindo um transformador!

Bem, é isso! Agora, tenho certeza de que você entende o suficiente para começar a construir um transformador e, acredite, foi uma viagem realmente emocionante para mim, porque se enrolar um fio para um transformador convencional (olá para aqueles que o enrolam) é uma coisa muito escrupulosa e tediosa, depois, com um transformador HTSC, a complexidade aumenta às vezes. Especialmente quando esse dispositivo é montado a partir de materiais improvisados. Entendemos o porquê!

Quadros de enrolamento

Uma das sérias desvantagens de um transformador HTSC é que o núcleo não é e não pode ser supercondutor. Portanto, temos duas opções para o que fazer: aquecer e impermeabilizar o núcleo dos enrolamentos, aumentando a distância entre ele e os enrolamentos e reduzindo a eficiência, ou empurrando o núcleo em nitrogênio junto com os enrolamentos, criando uma grande caldeira para nitrogênio, porque a perda de marcha lenta do transformador não está em lugar algum. para fazer isso. Decidimos seguir o primeiro caminho, criando um criostato na forma de um cilindro oco. Por que eles escolheram isso como um quadro para o enrolamento secundário (que fica mais próximo do núcleo):


Tubo de polipropileno e papel de embrulho ao lado

Tubo com um diâmetro interno de 100 mm. feito de polipropileno é um agente impermeabilizante ideal, mas não é um bom isolamento térmico. Além disso, alguns tipos de plástico tendem a encolher a baixas temperaturas, devido às quais o enrolamento enrolado diretamente nesse tubo pode ser deformado junto com o tubo. Portanto, decidiu-se reforçar adicionalmente este tubo, envolvendo-o sobre papel impregnado com resina epóxi. Não houve problemas com o papel, você pode obter um em abundância na saída de várias (grandes) lojas de construção (ala Leroy), onde é gratuito. Composto mais difícil. Não tínhamos experiência em trabalhar com textolites baseados em papel e não sabíamos como um quadro impregnado de papel se comportaria a -196 graus Celsius. Consultamos e decidimos tomar o primeiro epóxi ED-20 que apareceu. Ao comprar a resina, fomos avisados ​​de que o endurecedor (o segundo componente com o qual a resina é misturada e depois endurece durante a reação química) funciona em 20 minutos. Por que ficou claro imediatamente que seria impossível procrastinar e que o papel precisaria ser absorvido rapidamente. Por isso, fiéis camaradas apareceram na imagem de um transportador humano.


Transportador de impregnação de resina epóxi improvisado

O cheiro era, francamente, não muito. E cuide de suas mãos ao trabalhar com compostos!


Processo de impregnação de papel

O segundo quadro (para o enrolamento externo) já foi feito na imagem e semelhança do primeiro e diretamente em cima dele. Para impedir que as molduras grudem, elas colocam um pouco de material aleatório, que pode ser posteriormente arrancado. O resultado é:


Wireframes terminados

Resumindo esta parte, direi que provavelmente não há maneira mais barata de criar dois quadros não magnéticos, não metálicos, criostáveis ​​e suficientemente fortes. O elemento mais caro na criação da armação foi, obviamente, um composto de ~ 500 p / kg, seguido por um tubo de PP e, em seguida, escovas, luvas - isso é opcional.

Enrolamento

Talvez o elemento central e mais caro desta história sejam os próprios enrolamentos do HTSC. A razão pela qual a palavra “quase” aparece no título do artigo é o preço. Foram adquiridos 40 metros de fita supercondutora de alta temperatura com uma largura de 4 mm e uma espessura de 0,1 mm, com uma corrente crítica de 80 A., a um preço de 2500 rublos / metro. É claro físico. é improvável que a pessoa pague por isso. Vejamos sua grandeza incrivelmente cara.


A parte incrivelmente cara deste projeto

Além do alto custo do HTSC, a fita também é um material muito caprichoso. Ela não gosta de superaquecimento forte (acima de 500 graus), ela possui um grande raio de curvatura limitante (cerca de 20 mm, começa a deformação do supercondutor), ela também não pode ser torcida, enrugada, batida. Tudo isso transforma o trabalho com fios HTSC em uma espécie de joalheria. Como vamos bobinar?

Honestamente, o método de enrolar a fita no quadro é provavelmente o mais primitivo. A fita é coberta ao longo de um lado com fita Kapton, e as bordas da fita que se projetam além da fita são coladas junto com a fita no quadro. Como resultado, durante o processo de enrolamento, obtemos dois fatores que mantêm o enrolamento no quadro: fita adesiva e a superfície da placa de circuito impresso e a força de atrito da fita na mesma superfície. Como resultado, surpreendentemente, ficou bastante confiável.

A fita Kapton não é selecionada aleatoriamente. O fato é que nem todo material pode ser um isolamento confiável a baixas temperaturas. Por exemplo, a fita adesiva comum se torna quase de vidro e encolhe. A fita isolante também diminui. Os vernizes isolantes elétricos racham (embora não todos), o isolamento em PVC também diminui. A fita Kapton (ou poliimida) se comporta de maneira extremamente calma em baixas temperaturas (bem como em altas temperaturas); é tradicionalmente escolhida para fios HTSC quando você precisa fazer algo "rapidamente", embora seja necessário dizer que não é barato comparado ao comum com fita Quando você precisar fazer algo sólido, use um revestimento à base de poliimida.


O processo de enrolar o enrolamento externo (primário)

Na verdade, o transformador com o número de voltas 50:25 foi enrolado, na prática, ficou um pouco menos, mas não o ponto. O enrolamento primário (externo) era de partida única (uma bobina ao longo de toda a altura), o enrolamento secundário (interno) era de partida dupla (duas espirais alternam). Isso na verdade fornece uma corrente crítica de primária = 80 A e de 160A secundária. Se levarmos em conta que a tensão da rede (sob a qual o transformador foi feito) = 220 V. Em seguida, obtemos cerca de 10 kW de potência transmitida sem quase nenhuma perda, em uma quantidade bastante pequena. Resultados do enrolamento:


Enrolamentos do transformador HTSC primário (esquerdo) e secundário (direito)

Soldagem

Chegamos ao processo muito nervoso de fazer um transformador. Como mencionado acima, um supercondutor não é fã de altas temperaturas. Quando falamos de um fio de cobre que pode transportar 60-80 Amperes por um longo tempo sem realmente superaquecer, queremos dizer seções transversais de 16 ou 25 mm ^ 2. São fios maciços e impertinentes, difíceis de dar a forma elegante desejada para facilitar a soldagem com uma fita HTSC de 4 mm. Se você usar um ferro de soldar suficientemente poderoso e uma solda despretensiosa, poderá superaquecer a fita. Portanto, é melhor levar a solda de índio e estanho com um ponto de fusão de ~ 103 graus. C. Melhor ainda, derreta-o em um banho de solda, cubra a fita e o fio com ácido de solda e obtenha um brilho fabuloso de auto-adoração de um trabalho bem feito na repelência de metais quentes.

A nuance. É melhor soldar os contatos atuais, sem poupar a área da fita, para obter uma melhor entrada de corrente. Pegamos 3 cm. Fitas na superfície de contato com o contato atual, mas mais podem ser. Removemos os contatos de tensão da corrente em alguns centímetros, para não medir a queda de tensão no ponto de contato, mas diretamente no enrolamento. Infelizmente, apenas a foto do final desta ação foi preservada.


Enrolamentos com contatos

Criostato

A parte final e mais artesanal da nossa produção. O criostato foi feito de espuma e selante acrílico. E é isso. Infelizmente, nem toda marca de espuma serve. Polyfoam com grânulos grandes, quando o nitrogênio entra nele, se autodestrói imediatamente com um estrondo.


Espuma de poliestireno incorreta (esquerda) e espuma de poliestireno correta (direita)

Quanto ao selante, então, além das piadas, eles pegaram o mais barato dos que eram. Não sei qual é o truque. O principal é que o selante seja acrílico, não silicone, porque este último (como garantimos na loja) pode corroer a espuma.

O criostato era pré-fabricado, os quadrados com orifícios redondos eram cortados para que toda a estrutura se encaixasse no interior, enquanto um tubo se projetava para fora do criostato, no qual está planejado colocar o circuito magnético no futuro. Em outras palavras:


Criostato pré-fabricado

Como você pode ver na foto, as juntas de toda a estrutura foram lubrificadas e embebidas em selante. É na mão que o selante endurece com nitrogênio e se assemelha a um queijo muito grosso ao toque, e desempenha suas funções extremamente bem. No último estágio, um fundo especial é cortado sob o tubo da estrutura no qual está instalado e, finalmente, toda essa estrutura é montada em um único transformador HTSC.


Transformador HTSC

Como resultado, obtivemos:

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


Os experimentos

Acho que todo pesquisador experimentou pelo menos uma vez essa mistura de apreensão e crueldade com a qual ele atormentou sua "besta recém-criada". Obviamente, o transformador HTSC foi criado para ser incinerado. No entanto, incineraremos cuidadosamente - cientificamente.

Aqui vou mostrar a principal experiência para a qual o transformador foi feito. Curto-circuito do enrolamento secundário e use a chave para aplicar tensão ao enrolamento primário da rede elétrica (220 V). Como as resistências do enrolamento primário e do enrolamento secundário magneticamente acopladas a ele (através do ar) são pequenas, correntes bastante grandes fluirão nos circuitos. Essas correntes excederão um nível crítico de 80 A e, portanto, destruirão a supercondutividade, por causa da qual o enrolamento HTSC começará gradualmente a adquirir uma resistência elétrica finita, que por sua vez causará uma limitação de corrente. O que iremos corrigir na forma de uma corrente sinusóide distorcida. E a aparência na forma de onda da tensão de alguns valores finais (em vez de zero no modo normal). As medições serão realizadas com a ajuda de um dispositivo inesperado para um determinado experimento: um analisador de qualidade de energia elétrica . É inesperado porque a taxa de amostragem deste dispositivo no modo osciloscópio deixa muito a desejar. Mas o que fazer. No entanto, vamos dar uma olhada na imagem qualitativa do que está acontecendo.


Oscilogramas de correntes (os pontos nos gráficos correspondem aos dados reais capturados)

Os oscilogramas à esquerda (para comparação) mostram o modo de curto-circuito se o transformador não estiver cheio de nitrogênio líquido: vemos um sinusóide ligeiramente distorcido, mas silencioso, da corrente de curto-circuito, que é desligada por um disjuntor após um período (a figura mostra um período semestral). O modo de curto-circuito é mostrado à direita se o criostato estiver pré-cheio com nitrogênio líquido: vemos um forte aumento inicial na corrente, que gradualmente (a partir de 150 A) se dobra sob a influência do aumento da resistência. No entanto, devido ao maior valor da corrente de curto-circuito, o disjuntor desarma já no primeiro meio-ciclo.

Infelizmente, estamos satisfeitos apenas com esses resultados qualitativos, mas em um futuro próximo certamente faremos muitos outros.

Conclusão

Obviamente, o transformador HTSC deixa muita controvérsia para trás. Essas contradições se manifestam mesmo no método artesanal de fabricar um dispositivo tão complexo. O que podemos dizer sobre amostras operacionais reais, que você pode encontrar em [1,3]. O verdadeiro setor de energia elétrica HTSC avançou com o desenvolvimento de cabos e limitadores de corrente, passando por dificuldades mesmo nessas unidades mais desenvolvidas. Você pode se familiarizar com eles bastante popularmente sem sair deste site, por exemplo aqui .

No entanto, não importa quão contraditória essa área do conhecimento de engenharia possa ser, em última análise, apenas aqueles que podem justificar sua inocência permanecerão certos, então tentaremos.

E, de qualquer forma, é terrivelmente interessante!

Obrigado pela atenção!
Seu verdadeiramente DOK.

Obrigado também a:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich e a equipe VNIIKP por sua ajuda e conselhos dessa maneira difícil.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich pelo apoio gigantesco e desejo de desenvolver esta área a partir do zero!