DIY超导变压器

在接近2016年，一位能源学院的年轻但非常令人印象深刻的四年级学生受到一篇文章的影响，其中作者非常流行地展示了当今的高温超导体 （以下简称HTSC）的含义。 这位年轻的单身汉和他的同事对恢复单调且极其保守的电力行业的渴望蒙蔽了自己的力量，克服了矛盾和严重缺乏资金的面纱，然而他还是用高温超导体的绕组建造了变压器。

祝您阅读愉快！

为什么要使变压器超导？

从某种意义上说，目前变压器构造的产品已经真正实现了理想。 大型电力变压器（与您院子里的砖式或铁制变压器变电站（TP-ears）中的变压器相同）以及大型变压器的效率约为99％。 大量的法规文件对此类变压器的运行，诊断，安装和创建方法进行了规范，并且在会议和展览上，越来越多的代表在磁路或革命性的油芯中使用了创新的螺母，并减少了溶解气体的浓度。


典型的电力变压器代表

而且，似乎，我们在哪里无知地爬入了被精加工到最小细节的工程领域。 变压器的超导绕组可以提供的额外的半数效率是否值得特殊低温经济的成本和组织，工程师的重新培训以及生产的重新装备？ 为什么要重新发明轮子？ 初步分析表明没有必要。 但是，让我给您一个论点，这就是后来这篇文章成为可能的原因：“如果自行车将成为紧急情况该怎么办？”。

与传统的HTSC绕组相比，变压器的优势：

-绕组中几乎完全没有能量损失（导线是超导的，它们不会发热）；
-爆炸和火灾安全（与变压器油不同，液氮不释放爆炸性气体）；
-重量和尺寸更小（在相同电压下，超导线的电流密度可以比铜的电流密度高10倍）；
- 能够限制短路电流 。

尽管前三个优点具有很强的组成部分，但它们都在超导必须付出的巨大代价之前消失了。 因此，恐怕HTSC变压器会在商业上取得成功，除非在特别苛刻的军事和太空技术类型或在防火方面特殊的设施中。 但是，第四个属性可以显着改变情况，对我个人而言，仅它就足以吸引人们对HTSC范式的关注，并进行一些研究。 实际上，就像世界上许多同事所做的一样，至少需要做些工作[1-3]。
这有什么窍门？

关于限流物理学

目前，在电力行业中谈论HTSC导线时，我们几乎总是谈论基于陶瓷化合物的复合HTSC胶带。 从下图可以看出，沉积在金属基板上的超导体（YBCO层）的所有侧面均被某些保护层覆盖。 一些金属及其合金，例如铜，可以充当此保护层。 自然地，这些材料在液氮温度下不具有超导特性，这意味着，如果由于某种原因超导性在YBCO陶瓷中消失，则所有电流将根据其电阻值在这些层之间平行化。


任何电流都与施加到给定电阻的电压成正比，这意味着，如果突然在任何地方突然出现电阻（以前没有出现过电阻）（超导性崩溃），那么电流（在恒定电压下）将减小。 此外，这种降低的程度取决于周围材料，HTSC层的电阻。 但是如何破坏超导性呢？ 实际上有两种基本方法：将温度升高到临界温度以上，在该温度下不存在超导或作用于高于临界温度的HTSC磁场。 此外，如果电流流过超导体，那么它还会产生磁场，并试图渗透到该超导体中；如果电流产生的磁场太大，则超导性将开始逐渐崩溃。 超导开始崩溃的电流称为临界电流。

我们正在建造一个变压器！

好吧，就是这样！ 现在，我相信您已经足够了解如何开始制造变压器，并且相信我，这对我来说是一次非常激动人心的旅程，因为如果为常规变压器绕线（对缠绕它的人问好）是一件非常谨慎而又乏味的事情，然后使用HTSC变压器，复杂性有时会增加。 特别是当这种设备是用即兴​​的材料组装而成的。 我们了解原因！

绕线架

HTSC变压器的严重缺陷之一是铁心不是也不能超导。 因此，我们有两种选择，一种是对绕组的铁心进行加热和防水处理，增大其与绕组之间的距离并降低效率，或者将铁心与绕组一起推入氮气中，从而制造出一个大型的氮气锅炉，因为变压器的闲置损耗无处不在去做。 我们决定采用第一种方法，以空心圆柱体的形式制造低温恒温器。 他们为什么选择此作为次级绕组（更靠近铁心）的框架：


聚丙烯管及其旁边的包装纸

内径为100毫米的管道。 由聚丙烯制成的是理想的防水剂，但绝不是很好的隔热材料。 此外，某些类型的塑料倾向于在低温下收缩，因此，直接缠绕在这种管道上的绕组会与管道一起变形。 因此，决定通过将其包裹在浸渍有环氧树脂的纸上来额外地增强其强度。 纸张没有问题，您可以在免费的各种（大型）建筑商店（ala Leroy）的出口处购买大量纸张。 复合更难。 我们没有使用自制的纸质纺织材料的经验，并且我们不知道在-196摄氏度下纸浸渍的框架的行为。 我们进行了协商，并决定采用首批ED-20环氧树脂。 购买树脂时，警告我们硬化剂（与树脂混合的第二种成分，然后在化学反应中硬化）在20分钟内起作用。 为什么立即清楚地表明，拖延是不可能的，并且纸张需要快速浸渍。 为此，忠实的战友出现在人类传送带的图像中。


简易环氧树脂浸渍输送机

坦率地说，闻起来不是很香。 使用化合物时要小心手！


纸浸渍工艺

第二帧（用于外部绕组）已经按照第一帧的图像和样式进行了制作，并直接位于其顶部。 为了防止框架粘在一起，它们放置了一些随机的材料，以后可以将其撕下。 结果是：


成品线框

总结一下这一部分，我会说，制造两个非磁性，非金属，可冷冻且足够坚固的框架可能没有便宜的方法。 当然，制作框架中最昂贵的元素是〜500 p。/ Kg。的混合物，然后是PP管，然后是刷子，手套-这是可选的。

绕线

HTSC绕组本身可能是这个故事的中心和最昂贵的元素。 文章标题中出现“几乎”一词的原因是价格。 我们以2500卢布/米的价格购买了40米的高温超导带，其宽度为4 mm，厚度为0.1 mm，临界电流为80A。 很明显物理上。 一个人不太可能为此付出代价。 让我们看看它们令人眼花expensive乱的巨大魅力。


该项目令人眼花expensive乱的部分

除了HTSC的高成本外，胶带也是一种非常异想天开的材料。 她不喜欢强烈的过热（超过500度），她具有较大的极限弯曲半径（大约20毫米，当超过该极限时，超导体开始变形），她也无法扭曲，起皱，跳动。 所有这些将HTSC导线的工作变成了一种珠宝艺术。 我们将如何卷轴？

老实说，将胶带缠绕在框架上的方法可能是最原始的方法。 胶带的一侧用Kapton 胶带覆盖，并且胶带的突出超出胶带的边缘与胶带一起粘在框架上。 结果，在缠绕过程中，我们获得了将绕组保持在框架上的两个因素：胶带和PCB的表面以及胶带在同一表面上的摩擦力。 结果，令人惊讶的是，结果非常可靠。

Kapton磁带不是随机选择的。 事实是，并非每种材料都能在低温下可靠地绝缘。 例如，普通胶带几乎变成玻璃并收缩。 绝缘胶带也会收缩。 电气绝缘漆会开裂（尽管不是全部），PVC绝缘也会收缩。 Kapton（或聚酰亚胺）胶带在低温（以及高温）下都表现得非常镇定，传统上，当您需要“快速”做某事时，它是HTSC电线的选择，尽管必须说，与普通的相比，它并不便宜用胶带。 当您需要做一些固体时，请使用基于聚酰亚胺的相同涂层。


缠绕外部（初级）绕组的过程

实际上，匝数为50:25的变压器是绕线的，实际上，绕线的数量要少一些，但不是重点。 初级绕组（外部）为单绕组（沿整个高度为一个线圈），次级绕组（内部）为双绕组（两个螺旋交替）。 实际上，这给出的临界电流为初级= 80 A，次级为160A。 如果考虑到主电源电压（制造变压器时所用的电源电压）= 220V。那么我们获得的传输功率约为10 kW，几乎没有损耗，而且数量很少。 缠绕结果：


初级（左）和次级（右）HTSC变压器绕组

锡焊

我们到了制造变压器的非常紧张的过程。 如上所述，超导体不是高温风扇。 当我们谈论可以长时间承载60-80安培而又不会真正过热的铜线时，我们指的是16或25 mm ^ 2的横截面。 这些电线很大且很顽皮，很难用4 mm HTSC胶带轻松焊接所需的优雅形状。 如果您使用了足够强大的电烙铁和不起眼的焊料，则可能会使胶带过热。 因此，最好采用熔点约为103度的铟锡焊料。 C.更好的方法是，在焊锡浴中将其熔化，用焊锡酸覆盖胶带和导线，并通过良好的排斥高温金属的工作获得美妙的自我崇拜。

细微差别。 最好焊接电流触点，而不要保留胶带的面积，以获得更好的电流输入。 我们用3厘米长的带材通过电流接触在接触面上，但是可以更多。 我们从电流中移开了几厘米的电压触点，以便不测量触点处的电压降，而直接测量绕组上的电压降。 不幸的是，只保留了该动作的结局照片。


接触绕组

低温恒温器

我们生产的最后也是最手工的部分。 低温恒温器由泡沫和丙烯酸密封剂制成。 就是这样。 不幸的是，并非每个泡沫品牌都能做到。 当氮气进入时，带有大颗粒的泡沫塑料会立即自毁，并突然爆炸。


错误的聚苯乙烯泡沫塑料（左）和正确的聚苯乙烯泡沫塑料（右）

至于密封胶，除了笑话，他们还选择了最便宜的。 我不知道诀窍是什么。 最主要的是，密封剂应该是丙烯酸树脂，而不是硅树脂，因为后者（我们在店里保证过）会腐蚀泡沫。

低温恒温器是预制的，切出了带有圆孔的正方形，以便最终将整个结构装入内部，而一根管子则伸出低温恒温器的外面，计划将来在其中放置磁路。 换句话说：


预制低温恒温器

如您在照片中看到的，整个结构的接缝都被润滑并用密封胶浸透。 一方面，密封剂用氮气硬化，摸起来像很厚的奶酪，并且其功能极为出色。 在最后阶段，将特殊的底部切出安装在其上的框架管下，最后将整个结构组装成一个HTSC变压器。


HTSC变压器

结果，我们得到：

VTSPT-10000、220 / 110 V，50/100 A，OHL


实验

我认为每个实验者至少都会经历过一次不休和残酷无情的混合，折磨着他的“新造的野兽”。 当然，HTSC变压器是为了焚化而创建的。 但是，我们会仔细地-科学地将其焚化。

在这里，我将展示制作变压器的主要经验。 将次级绕组短路，然后使用开关从电源（220 V）向初级绕组施加电压。 由于初级绕组和与之磁耦合（通过空气）的次级绕组的电阻很小，因此相当大的电流将在电路中流动。 这些电流将超过80 A的临界水平，因此会破坏超导性，因此HTSC绕组将逐渐开始获得有限的电阻，进而会引起电流限制。 我们将以正弦电流失真的形式解决问题。 并且在电压的波形上出现一些最终值（而不是正常模式下的零）。 对于给定的实验，将借助意想不到的设备进行测量： 电能质量分析仪 。 这是出乎意料的，因为在示波器模式下该设备的采样率尚不理想。 但是该怎么办。 不过，让我们看一下正在发生的情况的定性情况。


电流波形图（图中的点对应于实际捕获的数据）

左侧的波形图（用于比较）显示了如果变压器中未充满液氮的短路模式：我们看到了短路电流的略微扭曲但安静的正弦波，该电流在一段时间后被断路器关闭（图中显示了一个半周期）。 如果低温恒温器中预先装有液氮，则会在右侧显示短路模式：我们看到电流出现了很强的初始增加，在电阻增加的影响下，电流（从150 A开始）逐渐弯曲。 但是，由于短路电流的值较大，因此断路器在第一个半周期中已经跳闸。

las，我们只满足于这些定性结果，但是在不久的将来，我们当然会做很多其他的事情。

结论

当然，HTSC变压器本身留下了很多争议。 这些矛盾甚至在制造这种复杂装置的手工方法中也表现出来。 关于实际的操作样本，我们可以说些什么，您可以在[1,3]中找到。 真正的HTSC电力行业在电缆和限流器的开发方面已经取得了长足的进步，即使在这些更发达的装置中也遇到了困难。 您可以在不离开本网站的情况下非常熟悉它们，例如此处 。

但是，无论该工程知识领域有多矛盾，最终只有那些能够证明自己无罪的人都将是正确的，因此我们将尝试。

无论如何，这都非常有趣！

感谢您的关注！
真正的DOK。

还感谢：

Vysotsky Vitaly Sergeyevich和VNIIKP团队以这种困难的方式提供了帮助和建议。
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich给予了巨大的支持，并希望从零开始发展这一领域！