СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ОБМОТКА
SUPERCONDUCTING WINDING

Изобретение относится к силовой энергетике, а именно к конструкциям сверхпроводящих (СП) силовых трансформаторов, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии при переменном напряжении 0,1-200 кВ и мощностью свыше 500 кВА. А также к сильноточным обмоткам накопителей энергии, магнитов, дросселей и т.д., работающим в переменных магнитных полях.
Известен сверхпроводящий силовой трансформатор, содержащий обмотку, выполненную в виде набора плоских дисков, которые намотаны СП лентами, транспонированными с определенной периодичностью (US Patent. NoUS 7,227,438 B2 10 Jun 2008 г.).
Для создания обмоток СП трансформатора рассматривается применение различных токонесущих элементов: плоские диски с транспонированием и ROEBEL кабель (W. Goldacker et al., "ROEBEL Assembled Coated Conductors (RACC): Preparation, Properties and Progress" in IEEE Trans. Appi Supercond, vol. 17, issue 2, pp.3398-3401. Available: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?tp=&amumber=4278106).
Данные технические решения являются наиболее близкими к предлагаемому из числа известных по совокупности признаков.
Недостатком обмоток, изготовленных из отдельного кабеля, является сложность изготовления самого кабеля, например ROEBEL кабеля, повышенная стоимость вследствие повышенного расхода дорогого высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала, сложность работ с ним при создании обмоток (недостаточная технологичность), плохие механические свойства.
Основная сложность при создании сильноточной СП обмотки трансформатора и прочих устройств (как правило, - сильноточная обмотка низкого напряжения) состоит в создании токонесущего элемента, способного работать в переменном магнитном поле, присутствующем в трансформаторе и других устройствах, и нести переменный ток свыше 1000 А.
Технический результат заключается в разработке конструкции сверхпроводящей обмотки, обеспечивающей равномерное распределение переменных токов в составляющих ее лентах, обладающей повышенной технологичностью изготовления и невысокой стоимостью, низким уровнем потерь на переменном токе.
Технический результат достигается тем, что сверхпроводящая обмотка содержит сверхпроводящие ленты, навитые равномерно относительно друг друга, например эквидистантно на поверхность несущего элемента. Витки обмотки, состоящие из набора СП лент, изолируются друг от друга.
Обмотка может быть выполнена из одного и более слоев.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показан поперечный разрез обмотки; на фиг.2 - ТНЭ обмотки трансформатора, состоящий из пяти ВТСП лент и четырех витков обмотки.
Сверхпроводящая обмотка формируется на образующем элементе 1, например цилиндре, навивкой ВТСП лент 2 ТНЭ с межленточным зазором 3 и с использованием межвитковой изоляции 4.
Существующие высокотемпературно сверхпроводящие (ВТСП) материалы представляют собой плоские ленты с критическим током порядка 100А в собственном магнитном поле. Для создания необходимого токонесущего элемента (ТНЭ) необходимо применение нескольких десятков ВТСП лент. Кроме того, при использовании набора ВТСП лент необходимо обеспечить условие равенства распределения токов как между лентами, так и в самих лентах. Использование набора ВТСП лент в токонесущем элементе накладывает на расположение лент условие равенства распределения тока между лентами при работе трансформатора.
π
n
Для достижения технического результата в сверхпроводящем силовом трансформаторе обмотка наматывается набором последовательных ВТСП лент 2, каждая из которых расположена симметрично относительно оси образующего цилиндра (эквидистантно, поворотная симметрия на угол 2/ где n - количество лент в ТНЭ) с минимальными межленточными зазорами 3. Таким образом, ТНЭ формируется непосредственно во время намотки ВТСП лент.
Ленты ТНЭ располагают так, чтобы во всех сечениях, ортогональных оси образующего цилиндра, все части сечения ВТСП лент находились на равном расстоянии от оси и с одинаковыми межленточными зазорами 3 (по возможности минимальными). Подобная симметричная конфигурация обеспечивает равенство индуктивностей любых ВТСП лент в ТНЭ и оптимальное распределение плотности переменного тока непосредственно в самих лентах ТНЭ. Пример формирования ТНЭ из 5 ВТСП лент на цилиндрической образующей приведен на фиг.2.
При формировании ТНЭ на поверхностях, отличных от цилиндрических (горообразные, бочкообразные и т.д.), ленты ТНЭ располагаются таким образом, чтобы в сечении, ортогональном оси оболочки, ленты ТНЭ были расположены по всему сечению с минимальной разницей межленточных зазоров 3 (как можно более равномерно). Подобная конфигурация обеспечивает минимальные отличия в индуктивностях любых ВТСП лент ТНЭ и, как следствие, минимальные отличия в плотности переменного тока непосредственно в самих лентах ТНЭ.
Промежуток между первой лентой и последней выполняется с необходимой межвитковой изоляцией 4. Для создания необходимого количества витков обмотки формируется необходимое количество слоев обмотки с наложением одного на другой и с межслойной изоляцией. Переходы между слоями выполняются либо перегибом лент 2 на следующий слой обмотки, либо созданием паяного, сварного или др. контакта. К концам обмотки подсоединены токонесущие элементы, обеспечивающие ввод тока в обмотку.
При изготовлении обмотки СП трансформатора применяются промышленно выпускаемые материалы.
Высокотемпературные сверхпроводящие материалы широко используются при производстве СП оборудования. Они представляют собой, в частности, волокна из соединения на основе висмута в матрице из серебра или его сплавов или длинномерный пленочный материал с покрытием из высокотемпературного сверхпроводника.
Образующие элементы 1 - стеклоэпоксифенольные цилиндры ЦС-ЭТФ.
Межслойная изоляция - кабельная бумага, ленточный изоляционный материал, проставки и т.д.
Технология изготовления обмотки ВТСП трансформатора сводится к следующему.
Обмотка ВТСП трансформатора изготавливается намоткой на навивочной машине. Кассеты с исходным материалом, СП лентой 2, располагаются вокруг образующего элемента 1, задающего нужную форму обмотки. Образующему элементу 1 задается поступательное и вращательное движение - для равномерной укладки лент 2. Скорость движения образующего элемента и скорость его вращения согласованы, чтобы обеспечить заданный шаг обмотки ВТСП трансформатора и рабочие зазоры между лентами 2. Промежуток между первой лентой и последней выполняется с необходимой межвитковой изоляцией 4. Для создания заданного количества витков обмотки формируется необходимое количество слоев с наложением одного слоя на другой и с межслойной изоляцией. Переходы между слоями выполняются либо перегибом лент на следующий слой обмотки, либо созданием паяного, сварного или др. контакта. К концам обмотки подсоединяются токонесущие элементы, обеспечивающие ввод тока в обмотку.
Работает обмотка ВТСП трансформатора следующим образом. С помощью системы криогенного обеспечения через обмотки ВТСП трансформатора прокачивается криоагент, например жидкий азот (осуществляется его циркуляция либо поддерживается необходимый уровень). Далее обмотки ВТСП трансформатора подключаются через криогенные токовводные муфты к сети, как и обычный электрический трансформатор.