Сверхпроводящие трансформаторы - Трансформаторы с низкотемпературными сверхпроводящими обмотками

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ТРАНСФОРМАТОРЫ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВЕРХПРОВОДЯЩИМИ ОБМОТКАМИ.

Рис. 20. Экспериментальная модель первого в мире сверхпроводящего трансформатора мощностью 15 кВт
1. Трансформаторы с низкотемпературными сверхпроводящими обмотками.

Первый в мире сверхпроводящий однофазный трансформатор мощностью 15 кВт, напряжением 22/2,2 кВт был создан и испытан в США в 1961 году [1,32,35,37,45-52]. Его обмотки, изготовленные из свинцового провода общей длиной 3,2 км, разделялись слоем бумажной изоляции толщиной 0,25 мм., покрытой лаком /рис. 20/. Обмотки помещались в вакуумированный бак, теплоизолированный жидким азотом, и концы их через изоляторы с вакуумным уплотнением выводились наружу. Для предотвращения перехода сверхпроводящих обмоток в нормальное состояние /аварийный режим/ была предусмотрена разбивка их на 20 попарно чередующихся слоев. Магнитопровод трансформатора собирался из шихтованной электротехнической стали и функционировал при комнатной температуре, которая поддерживалась с помощью водяного охлаждения. Конструктивное исполнение обмоток СП трансформатора полностью зависит от необходимости уменьшения магнитного поля ниже критического значения, при котором происходит переход сверхпроводника обмоток в нормальное состояние. Это обусловило, как указывалось выше, изготовление СП обмоток со взаимно чередующимися слоями. На рис. 21(б) представлен элемент СП обмотки, состоящий из двух первичных слоев, окружающих два вторичных слоя, а на рис. 21(a) - путь магнитного потока рассеяния в поперечном сечении элемента обмотки. При этом, намагничивающие силы, создаваемые протекающими рабочими токами в первичных и вторичных обмотках, имеют противоположные направления и создают магнитные поля, равные по величине и противоположные по знаку.

Рис. 21. Магнитное поле рассеяния четырехслойной чередующейся обмотки СП трансформатора а) путь магнитного потока рассеяния б) сечение СП обмотки 1 — обмотка низкого напряжения 2 - обмотка высокого напряжения 3 - изоляция
Для обмотки СП трансформатора было использовано несколько таких комплектов чередующихся слоев. Таким образом, происходит уменьшение магнитного поля рассеяния в сверхпроводящем трансформаторе.
Однако, такое конструктивное решение имеет недостаток, заключающийся в том, что уменьшение высоты СП обмоток приводит к значительному увеличению ее ширины, поскольку при этом необходимо применять большое количество изоляционного материала.
Чередующиеся обмотки СП трансформаторов могут быть выполнены цилиндрическими, дисковыми, спиральными /из фольги/, коаксиальными и др.
Рис. 22 представляет варианты исполнения чередующихся обмоток СП трансформаторов.

Рис. 22. Варианты исполнения чередующихся обмоток СП трансформаторов
1 - первичная обмотка;

1.  - вторичная обмотка;
2.  - изоляция

На рис. 22а показан способ размещения слоев первичных и вторичных обмоток трансформатора, описанный выше.
На рис. 22б показано чередование цилиндрических силовых обмоток сверхпроводящего трансформатора. При таком конструктивном варианте, магнитное поле в обмотке не достигает критической величины, разрушающей сверхпроводящее состояние.
Дисковое исполнение сверхпроводящих обмоток трансформатора приведено на рис. 22 (в и г). На рис. 22(в) показан отдельный диск, а на рис. 22(г) - СП обмотка в собранном виде.
Во Франции, в Laboratoire Central des Industrie electriques (LCIE) в конце 1963 года был создан и испытан трансформатор с максимальной передаваемой мощностью 2,75 кВа, ограничиваемой величиной критического тока в месте спайки сверхпроводящего провода обмотки с токовым выводом [32,35,37,66,68].
Магнитопровод трансформатора был изготовлен из листовой трансформаторной стали типа «Имфизил», имеющей толщину листа 0,25 мм. Рабочая индукция составила 1,7 Тл, сечение магнитопровода позволило получить 0,5 в/виток. Магнитопровод погружали в жидкоазотную зону криостата. Обмотки сверхпроводящего трансформатора изготовлялись из сплава Nb - 15% Zr. Обмотка высокого напряжения состояла из 440 витков, разбитых на 4 слоя. Обмотка низкого напряжения состояла из 2 независимых обмоток по 220 витков в каждой, а также разбитых на 2 слоя. Межслоевая изоляция выполнялась из бумаги толщиной 0,4 мм. Диаметр сверхпроводящей проволоки, из которой изготовлялись обмотки, равен 0,254 мм., общая масса обмоток составляла 86 г. С целью уменьшения напряженности магнитного поля рассеяния, слои первичных и вторичных обмоток чередовались. Плотность тока в обмотках составляла 2х104 А/см² при максимально передаваемой мощности трансформатора, а КПД - 99,3% при токе вторичной обмотки, равном 15 А.
На рис. 23 показаны потери в листовой трансформаторной стали типа «Имфизил» толщиной 0,35 мм., из которой изготавливался магнитопровод СП трансформатора, при изменении температуры от жидкого азота (77К) до комнатной (300К).

Рис. 23. Изменение потерь в трансформаторной стали магнитопровода СП трансформатора при переходе от температуры жидкого азота (77 К) к комнатной (300 К)

На рис. 24 показано изменение КПД СП трансформатора в зависимости от величины тока, протекающего в его вторичного обмотки низкого напряжения, включенной на чисто активную загрузку.
В 1967 году во Франции была изготовлена и испытана вторая модель сверхпроводящего трансформатора мощностью 6,6 кВА (рис. 25) [33,35,37,75,87]. Эта модель, в отличие от предыдущей, на основании накопленного опыта, была изготовлена более прочной и позволяла проводить длительные испытания в режимах короткого замыкания, холостого хода и нагрузки, что способствовало более полному изучению проблем, связанных с СП трансформатором.

Рис. 24. Изменение КПД СП трансформатора мощностью 2,5 кВА

Магнитопровод собирался из листовой электротехнической стали «М5 X» толщиной 0,35 мм. и имел сечение 10,4 см² при полной массе 2,3 кг. Максимальная индукция в магнитопроводе рассчитывалась на величину 1,8 Тл, при соответствующем вилковом напряжении 0,6 В. Потери, при величине индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц и температуре 300 К, составили менее 1 Вт/кг. Магнитопровод эластично закреплялся внутри металлического криостата и функционировал в среде жидкого азота.

Первичное и вторичное напряжение СП трансформатора составило соответственно 220 и 440 В. В трансформаторе имелись 2-е идентичные обмотки низкого напряжения (220 В), которые снаружи, на выводах трансформатора, соединялись между собой последовательно на напряжение 440 В, или параллельно - на 220 В, что позволило проводить испытания СП трансформатора при разных схемах их соединений. Обмотки изготавливались чередующимися и состояли из 9-и слоев по 58 витков в каждом слое. Обмотка высокого напряжения (440 В) состояла из 18-и слоев и также содержала 58 витков в слое. Высота каждой обмотки - 17 мм., внутренний диаметр - 64 мм. Для изготовления витков использовался сверхпроводящий провод Nb - 25% Zr диаметром 0,254 мм. Масса использованного провода составила около 230 г.

Рис. 25. Сверхпроводящий трансформатор мощностью 6,6 кВА

Разборный криостат СП трансформатора был выполнен из нержавеющей стали. В него монтировалась полость, изготовленная из стекла «пирекс», в которой размещались СП обмотки трансформатора. Поверхность полости, для уменьшения потерь на излучение, покрывалась золотой пленкой, разделенной на большое число участков, изолированных один от другого для предотвращения появления значительных вихревых токов. СП трансформатор снабжался 6 токоподводами из отожженной обычной медной ленты шириной 10 мм, толщиной 0,2 мм и длиной 7,4 м.
Экспериментальные исследования СП трансформатора включали в себя измерения следующих видов потерь: в магнитной цепи; в СП обмотках; криогенных потерь в криостате и токоподводах. Были проведены опыты холостого хода, короткого замыкания и в режиме нагрузки.
На рис. 26 представлены криогенные потери в СП трансформаторе в нагрузочном режиме. Одна из низковольтных обмоток разомкнута, другая питается низким напряжением. К высоковольтной обмотке подключена переменная нагрузка. Максимальный ток в высоковольтной обмотке составил 8,35 А.

Испытания трансформатора в опытах холостого хода, при которых на регулируемое напряжение включались сначала одна, а потом другая обмотка низкого напряжения, выявили зависимости напряжений каждой из разомкнутых обмоток, юка в обмотке и активных потерь Pf от напряжения питания.
Измерения сопротивления на постоянном токе осуществлялись при последовательном включении трех обмоток. Были определены полные сопротивления токоподводов, полностью находящихся при температуре окружающей среды, а также для случая, когда их нижняя часть погружена в жидкий гелий.
В опыте короткого замыкания низковольтные обмотки, соединенные последовательно, закорачивались накоротко, а обмотка высокого напряжения включалась на регулируемое напряжение питания.
В режиме нагрузки к обмотке высокого напряжения подключалась нагрузка чисто резистивная (cos φ=I), либо индуктивного характера (cos φ=0,8).
Токи, напряжения на зажимах СП трансформатора, потребляемая активная мощность измерялись во времени для различных значений нагрузки.
Максимальная мощность СП трансформатора - 6,6 кВА была достигнута при одинаковых токах 15 А в двух низковольтных обмотках, включенных параллельно. Максимальный К.П.Д. СП трансформатора составил 99,53 % при токе 5А в обмотке высокого напряжения и 99,83 % при токе 15А, а полный К.П.Д, с учетом мощности на охлаждение по расчету составил 96 %.
Разработки сверхпроводящих трансформаторов без ферромагнитного сердечника изложены в экспериментальных работах [32,35,37,62,71,72,79,92,100,104], проведенных в основном, в Австрии.
Отсутствие ферромагнитного сердечника в силовых СП трансформаторах дает возможность использования их в магнитных полях с индукцией свыше 2 Тл. и избежать потерь в сердечнике трансформатора.
В работах [62-63] рассматривается СП трансформатор без магнитопровода, первичная и вторичная сверхпроводящие обмотки которого выполнены в виде многослойных соленоидальных катушек и находятся внутри сверхпроводящих листовых коробок с прорезями, заключенных в оболочку таким образом, что сверхпроводящие листы коробок не образуют короткозамкнутых витков. Магнитный поток, создаваемый обмотками, ввиду того, что они находятся внутри сверхпроводящего кожуха кольцевой формы, не может появиться снаружи. Поэтому, возникающее здесь рассеяние и связанные с ним недостатки незначительны. С помощью соответствующего расчета магнитных поперечных сечений можно увеличить напряженность и индукцию внутри обмоток и, следовательно, уменьшить намагничивающий ток. Применение магнитных экранов, выполненных из тонких сверхпроводящих листов (например, свинца, ниобия и др.), дает возможность изолировать внутренние слои обмоток таким образом, чтобы они не лежали в поле внешних слоев, поэтому транспонирование и переплетение обмоток высокого и низкого напряжений не требуется. Так же, как и сверхпроводящие коробки, охватывающие витки обмоток, межслойные листы должны быть размещены через прорези таким образом, чтобы они не образовали цепь короткого замыкания.
Уменьшить образование сильных магнитных полей рассеяния и снизить связанные с ними потери предлагается в конструкции СП трансформатора без магнитопровода, показанной на рис. 27 [37,64]. Первичная и вторичная, разделенные на части и попеременно размещенные СП обмотки 1 и 2, находятся на расстоянии С/между средними точками обмоток друг от друга, 3 и 4 - отдельные провода первичной и вторичной СП обмоток. При разделении обмоток СП экранами 5, это расстояние значительно меньше, чем в случае неэкранированного трансформатора, где чередующиеся части СП обмоток необходимо изолировать на испытательное напряжение, которое в несколько раз больше рабочего, что ведет к увеличению размеров СП обмоток.

Рис. 27. Поперечное сечение частичных обмоток а) обычной конструкции; б) СП трансформатора с СП экранами

На рис. 28 представлен трансформатор с экранированными сверхпроводящими обмотками [37,72]. Первичная 1 и вторичная 2 обмотки расположены раздельно, что дает возможность увеличить рабочее напряжение и уменьшить пространство, занимаемое изоляцией, в случае чередующихся обмоток. Сверхпроводящий экран уменьшает поток рассеяния и одновременно усиливает магнитную связь между СП обмотками. Конструктивно, он представляет собой цилиндр,
изготовленный изгибанием сверхпроводящей ленты, покрытый с одной стороны электроизоляционным материалом.
В местах соединения используется диэлектрический материал, во избежание возникновения круговых токов.

Рис. 28. Трансформатор с экранированными СП остатками

Конструкция СП трансформатора, которая позволяет за счет применения специальной обмотки возбуждения значительно снизить магнитные потери в силовых сверхпроводящих обмотках трансформаторов, схематически показана на рис. 29 [37, 104], где:

1. СП трансформатор с чередующимися силовыми концентрическими обмотками,
2. СП трансформатор с чередующимися силовыми дисковыми обмотками.

Специальная обмотка возбуждения 1 выполнена из сверхпроводника П рода, силовые же обмотки 2 и 3 из сверхпроводника I рода. Обмотка возбуждения и первичная обмотка СП трансформатора соединены параллельно. Наличие специальной обмотки возбуждения позволяет разгрузить первичную силовую обмотку от тока намагничивания, что дает возможность полностью скомпенсировать первичные и вторичные ампервитки, благодаря чему снижается магнитное рассеяние силовых обмоток и связанные с ним потери, что увеличивает токонесущую способность этих обмоток, К.П.Д. и мощность СП трансформатора.
Экспериментальная модель СП трансформатора, конструктивно выполненная в виде тороида, на котором намотаны две сверхпроводящие обмотки по 5000 витков каждая, прошла испытания в режимах холостого хода, нагрузки и короткого замыкания (рис. 30) [37,100].

Рис. 29. СП трансформатор с отдельной обмоткой возбуждения

Обмотки расположены вдоль поверхности тора, что обеспечивает равномерные траектории магнитных силовых линий. Внутренняя СП обмотка 1 изолирована от внешней СП обмотки 2 слоем изоляции 3 и не имеет потока рассеяния, так как силовые линии магнитного поля, наводимого в ней, полностью лежат внутри обмотки 2.
Сверхпроводящие трансформаторы без магнитопровода могут найти применение при решении специальных задач, так как сравнение их с СП трансформаторами с ферромагнитным сердечником показывает существенное увеличение их размеров и требует в 20 раз больше использования СП материалов [38, 108, 111].

Рис. 30. Сверхпроводящий тороидальный трансформатор

Поэтому, основное внимание разработчиков сверхпроводящих трансформаторов было сосредоточено на СП трансформаторах с ферромагнитным сердечником.
В Великобритании был выполнен расчет мощного генераторного трехфазного сверхпроводящего трансформатора мощностью 570 МВА напряжением 22/400 кВ [1,32,35,37,57-61] для сравнения его с обычным трансформатором той же мощности с обмотками из меди и масляным охлаждением. В соответствии с этим расчетом, при условии получения наименьшей суммарной массы трансформатора при напряжении короткого замыкания -  16 %, масса трансформатора снижается со 101 т. до 92 т., а силовых обмоток — с 90 до 10 т. Эти данные соответствуют конструкции сверхпроводящего трансформатора с одним каналом рассеяния, при которой высота окна магнитопровода получалась большой по сравнению с шириной /355 и 51 см/ и, при этом, плотность тока в обмотке высокого напряжения приходилось выбирать в 10 раз меньшей, чем в обмотке низкого напряжения. Указанных недостатков удалось избежать, разбив силовые обмотки на несколько секций и соединив секции параллельно в обмотке высокого, и последовательно в обмотке низкого напряжений. При этом, радиальный размер обмотки увеличился, а осевой уменьшился. Одновременно снизилась масса магнитопровода, т.к. окно его приняло форму квадрата, при котором масса магнитопровода составила 65,5 т, а силовых обмоток -9 т, что составляет всего 39 % массы активной части трансформаторов такой же мощности, обычной конструкции.

Рис. 31. Эскиз активной части трехфазного генераторного СП трансформатора 570 МВА, 22/400 кВ

Секционирование обмоток приводит к определенному усложнению конструкции изоляции. Однако, одновременно улучшается использование изоляции с точки зрения электрической и механической прочности. На рис. 31 показан эскиз активной части СП трансформатора. Здесь: а - конструкция с одним каналом рассеяния, в - с секционированием и чередованием силовых обмоток. В обоих случаях, принято, что электрическая  плотность изоляции составляет 5,1 кВэфф/мм, а растягивающие усилия в обмотках при коротком замыкании не превышают 560 кг/см². Обмотки трансформатора рассчитывались на максимальный ток до 10 кА на 1 см ширины сверхпроводящей фольги, из которой они должны быть выполнены, и поле с магнитной индукцией рассеяния 3,5 Тл. Такая величина магнитного поля рассеяния является максимальной в аварийном режиме короткого замыкания. В случае выполнения силовых обмоток трансформатора секционированными и чередующимися, линейные плотности токов в обмотках отличаются друг от друга приблизительно в 2,6 раза.

напряжением 22/500 кВ, импедансом 12 %, с NbTi и NbjSn сверхпроводящими обмотками и провела сравнение такого трансформатора с масляным трансформатором, имеющим аналогичные параметры. [38,1 12] Каждая из СП обмоток /низкого и высокого напряжения/ состоит из параллельно соединенных основной и вспомогательной обмоток. Основная обмотка несет почти полную нагрузку в установившимся режиме, а вспомогательная - в аварийном режиме, вызванном переходом в нормальное состояние основной обмотки за период времени, необходимый для восстановления сверхпроводящего состояния. Обмотка низкого напряжения - однослойная с сечением проводника 0,43 х 32 см, а обмотка высокого напряжения - пятислойная с сечением проводника 0,15 х 0,8 см².
Коэффициент заполнения плетеных кабелей - 1/3.
Диаметры нити и жилы кабеля должны быть меньше 1 и 100 мкм.
Обмотки размещены в тороидальном криостате с прямоугольным поперечным сечением.
Для охлаждения СП обмоток используется сверхкритический гелий давления 0,6 МПа, обладающий высокой электроизоляционной прочностью и низким tgδ, позволяющий получить меньшие изоляционные промежутки (зазоры), чем в обычном масляном трансформаторе.
Тепловая изоляция в системе теплоотвода обеспечивает температуру гелия до 10 К в зонах, где электрические поля достигают критических значений, при которых возможны разряды. Тороидальный криостат (с расположенными внутри СП обмотками) и стальной магнитопровод размещены в металлическом баке и охлаждаются трансформаторным маслом до комнатной температуры. Общие потери, включая входную мощность рефрижератора, состоят из потерь в железе - 40 %, проводнике (на переменном токе) — 52 % (недопустимо большая величина), криостате - 1,5 %, диэлектрике - 1,5%, тоководах - 5 %. К.П.Д. трансформатора при номинальной мощности 1000 МВА равен 99,85 %. Сравнение СП трансформатора с масляным трансформатором показали, что по надежности СП трансформатор может быть выполнен равноценным масляному трансформатору; при этом СП трансформатор имеет меньшую массу, а размеры его почти такие же как у обычного трансформатора (масса СП трансформатора 1000 МВА, 500 кВ составляет 64 % массы масляного трансформатора); полная стоимость, включая стоимость трансформатора и потерь за весь срок службы, составляет 71 % полной стоимости масляного трансформатора.
Одной из важных проблем создания и практического применения сверхпроводящих силовых трансформаторов является защита его СП обмоток от перехода в состояние нормальной проводимости, являющимся аварийным режимом работы трансформатора. Работы в этом направлении ведутся параллельно разработкам самих СП трансформаторов. В Англии, США, Франции, Японии и др. странах предложены различные технические решения этой проблемы, запатентованы способы и конструкции защитных устройств для СП трансформаторов.
На рис. 33 представлен вариант защиты сверхпроводящего трансформатора с помощью токоограничивающего устройства [35,37,69,70]. Токоограничивающее устройство 1 в аварийном режиме увеличивает реактивное сопротивление трансформатора 8 со сверхпроводящей первичной 2 и вторичной 3 обмотками и снижает ток до безопасного уровня.

Рис. 33. Защита обмоток СП трансформатора с помощью токоограничивающего устройства

Емкость 4 подобрана в резонанс с индуктором 5. При возникновении режима короткого замыкания реактор 6, последовательно  с которым включено активное сопротивление 7, насыщается и закорачивает емкость, увеличивая реактивное сопротивление трансформатора на величину индуктивного сопротивления 5. При выполнении индуктора из сверхпроводника с железным сердечником, он может быть объединен со вторичной обмоткой и помещен вместе с трансформатором в один криостат.
Устройство, представленное на рис. 34 [35,37,89,90] позволит устранить недостаток, присущий большинству защитных систем, заключающий в том, что сверхпроводящую обмотку нельзя включить в работу до тех пор, пока все тепло, выделившееся при аварийном переходе в защитной обмотке, не будет отведено. Эффект достигается за счет выноса защитной обмотки в азотную полость криостата. 

Рис. 34. Способ защиты СП трансформатора в аварийном режиме с помощью обмоток обычного типа
Здесь показано:
1, 2- первичная и вторичная СП обмотки
3, 4 - защитные обмотки
5 - магнитопровод трансформатора
6 - тепловой изоляционный цилиндр

Таким образом, сверхпроводящие обмотки трансформатора функционируют в жидкогелевой зоне, а защитные - в жидкоазотной зоне криостата. Защитные обмотки соединены параллельно со сверхпроводящими обмотками трансформатора. В нормальном (сверхпроводящем) режиме токи протекают по сверхпроводящим обмоткам, реактанс трансформатора мал, но при аварийном режиме, когда токи переходят в защитные обмотки, реактанс которых значителен, это вызывает уменьшение аварийного тока.
Вопросы защиты СП обмоток трансформатора достаточно подробно описаны в работах [114,115].
В 1986 году японскими специалистами осуществлен эскизный проект сверхпроводящего трансформатора мощностью 1750 МВА (в группе) ультравысокого напряжения 1100/550 кВ [118]. В качестве материала магнитопровода был использован аморфный сплав с индукцией 1,45 Тл, что составляет 0,9 от величины индукции в традиционном трансформаторе. Сечение стержня магнитопровода составило 12600 см², диаметр стержня 1440 мм, значение напряжения на виток - 487 В, число ампервитков 598500, длина стержня 3000 мм. Сверхпроводящие обмотки размещены в теплоизолированном вакуумном сосуде. Плотности тока в обмотках высокого и низкого напряжений на полное сечение (с учетом охлаждающих каналов) составляют всего 2,0 и 2,8 А/мм² соответственно, что в 1,5-2 раза больше, чем в обычном трансформаторе. Площади сечений обмоток следующие: ВН - 299000 мм², НН - 213500 мм², высота обмоток: ВН - 2400 мм, НН - 2400 мм, толщина обмоток ВН - 130 мм, НН - 90 мм, расстояние от обмоток до ярма - 300 мм, общая длина СП провода - 9227 мм. Изоляционная система трансформатора проектируется на базе стеклопластиков типа G —  10 и сверхкритического гелия. Для достижения изоляционных характеристик подобных маслу (20 МВ/м) необходимо использовать сверхкритический гелий с давлением 300 кПА, температурой 5-6 К и плотностью 50 кг/м³.
Была проведена оценка механической прочности СП трансформатора при коротком замыкании, когда сверхпроводник теряет сверхпроводящее состояние. При этом, сопротивление существенно увеличивается по сравнению с сопротивлением обычной медной обмотки. Таким образом, ток короткого замыкания будет в 2 раза меньше, а радиальные механические напряжения на наружной обмотке - в 4 раза меньше, чем в обычном трансформаторе. Допустимые механические напряжения на растяжение в стеклопластике G - 10 составляют 600 МПа при криогенной температуре, и 400 МПа - при комнатной, что по механическим расчетам считается вполне удовлетворительным для данной конструкции.
Оценивались также все составляющие потерь в СП трансформаторе. Потери в СП обмотках составляют 100 Вт, суммарные потери от теплопритоков и диэлектрические потери - 100 Вт. Для отвода криогенных потерь — 200 Вт, требуется рефрижератор мощностью 100 кВт при коэффициенте рефрижерации - 500. Потери в магнитопроводе СП трансформатора составляют 50 кВт; при удельных потерях в аморфной стали 0,45 Вт/кг, магнитные потери от полей рассеяния - 150 кВт. Таким образом, общие потери СП трансформатора составляют 300 кВт. Благодаря использованию новых материалов, по мнению японских специалистов, общие потери в трансформаторе могут быть в 5 раз снижены по сравнению с обычным трансформатором равной мощности.
Особый интерес для энергетического применения представляет создание силового трансформатора со сверхпроводящей и нормальнопроводящей обмотками [36,37,39 - 41,103,120]. Такой трансформатор обеспечит тепловую изоляцию между обычной энергосистемой или линией электропередачи и сверхпроводящей кабельной линией, позволит решить проблему ввода и вывода большой мощности в низкотемпературную среду, обеспечивая при этом минимум тепловых притоков, влияющих на технико - экономические показатели сверхпроводящих линий электропередач. Трансформатор с обмотками, функционирующими при обычной (300 К) и низкой температуре (4 - 5 К) может быть использован также для запитки сверхпроводящих магнитных систем.
Примером силового трансформатора с обмотками, функционирующими в разных температурных средах (4,2 К) и (77 К), является конструкция, описанная в работе [130]. Она представляет собой 1 - фазный 2-х обмоточный трансформатор мощностью 100 кВА, напряжением 6600/210 В, работающий при частоте 60 Гц.
Шихтованный магнитопровод массой 310,5 кг изготовлен из пластин электротехнической стали с поперечным сечением стержня 120 см². Обмотка низкого напряжения, однослойная, выполнена на стеклопластиковом каркасе с пазами для укладки витков и каналами охлаждения для жидкого гелия. Она изготовлена из сверхпроводящего NbTi провода диаметром 2,18 мм и состоящего из 39546 нитей диаметром 0,55 мкм каждая, заключенных в матрицу из меди и сплава из меди с никелем. Обмотка высокого напряжения, 6-ти слойная, изготовлена из медного обмоточного провода диаметром 1,6 мм с синтетической электроизоляцией. Обмотка ВН охлаждается жидким азотом, при котором сопротивление обмотки постоянному току в 8 раз меньше, чем при комнатной. Плотность тока в обмотке ВН равна 7,56 А/мм². Обе обмотки расположены концентрически на одном стержне магнитопровода и находятся в криостате, изготовленном из стеклопластика и имеющем 2 отсека: для жидкого гелия, в котором функционирует обмотка НН, и жидкого азота, для обмотки ВН. Хладоагента находятся при атмосферном давлении. В полых наружных стенках криостата создана вакуумная рубашка. Измерены нагрузочные потери СП трансформатора, составившие 745 Вт и складывающиеся из 546 Вт омических потерь в нормальнопроводящей обмотке ВН и 209 Вт добавочных потерь от магнитного поля рассеяния. После заполнения криостата хладоагентами, потери холостого хода увеличились на 7 %, хотя магнитопровод функционировал при комнатной температур. Был исследован процесс потери сверхпроводимости обмоткой низкого напряжения в режиме короткого замыкания, а также измерен максимальный ток трансформатора, который может превышать критическое значение, приводящее к потери сверхпроводимости. Напряжение короткою замыкания составило значительную величину - 38,6 %.
В Японии был изготовлен и испытан 4-х обмоточный силовой сверхпроводящий трансформатор мощностью 72 кВА, которая была выбрана с учетом возможностей испытательного оборудования [125 - 129, 133].
СП трансформатор имел 2 основные, первичную и вторичную силовые обмотки и 2 вспомогательные обмотки, подключенные к силовым обмоткам параллельно. Обмотки наматывались многожильным NbTi - проводом и имели диаметр проводников 0,62 и 0,46 мкм в основных первичных и вторичных обмотках соответственно, при этом диаметр провода первичной обмотки составил 0,365 мм при длине 123 м, а вторичной - 0,9 мм и 77,7 м соответственно. Шихтованный магнитопровод трансформатора изготовлен из пластин кремнистой электротехнической стали с сечением стержней (40x40) мм² и длиной 220 мм. Обмотки вместе с магнитопроводом устанавливались в криостат. Основные данные СП трансформатора: первичное напряжение - 1057 В, вторичное - 218 В, номинальный ток первичной обмотки - 70,1 А, вторичной - 285 А, критический ток первичной обмотки - 179 А, вторичной - 522 А, масса обмоток составила 24 кг. Рабочая частота СП трансформатора - 60 Гц, Э.Д.С. витка 0,274 В. Было проведено экспериментальное исследование потери сверхпроводимости в основных обмотках трансформатора, путем создания короткого замыкания на его вторичной стороне. В нормальном режиме работы почти весь рабочий ток протекал по основным обмоткам трансформатора, индуктивность которых очень мала. После броска тока короткого замыкания в основных обмотках, в течение первого полу- периода частоты, появляется зона с высоким активным сопротивлением, вследствие потери сверхпроводимости, и ток резко надает. Одновременно происходило увеличение тока во вспомогательных обмотках, индуктивность рассеяния которых специально сделана большой, чтобы ограничить этот ток до безопасного уровня. Далее, ток в основных обмотках трансформатора продолжал относительно медленно снижаться, вследствие распространения вдоль обмоток зоны потери сверхпроводимости, со скоростью, зависящей от параметров обмотки. После отключения короткозамкнутого режима и полного отключения тока, сверхпроводимость в основных обмотках восстанавливалась через 4 сек. Была разработана методика расчета СП трансформатора на стойкость в режиме короткого замыкания, включающая расчет индуктивностей рассеяния обмоток, токов короткого замыкания, распределения магнитных полей рассеяния и механических усилий в обмотках, учитывающая явление насыщения магнитопровода и потери сверхпроводимости основных, главных обмоток при коротком замыкании. В результате экспериментального исследования, выявлено, что эквивалентная скорость распространения нормальной зоны, при потери сверхпроводимости, во время мгновенного снижения тока, вдоль провода на 2 порядка больше, чем соответствующие теоретические расчеты. В основной первичной обмотке СП трансформатора эквивалентная скорость распространения увеличивалась пропорционально напряжению, приложенному к нормальному участку обмотки. В главной вторичной обмотке аналогичное распространение нормального участка также обуславливалась местным нагревом выше порового уровня в зоне протекающего тока.
Испытанию в режиме короткого замыкания, холостого хода и нагрузки был подвергнут изготовленный опытный сверхпроводящий автотрансформатор без магнитопровода, мощностью 2,5 кВА, напряжением 300/150 В при токе 14/17 А [136]. Соотношение номинальных токов СП трансформатора не равно обратному значению соотношений номинальных напряжений, что обусловлено большим значением тока возбуждения, составляющим примерно 45 % номинального тока.
В Австрии, международная группа филиала концерна АВВ успешно закончила ряд исследований на, одном из первых, полномасштабном опытном однофазном сверхпроводящем трансформаторе мощностью 330 кВА, напряжением 6000/400 В при величине токов 55/830 А [138,143]. Целью исследовательской программы была задача выяснения возможности использования сверхпроводимости в энергосистемах, а также уменьшения потерь и снижения массы и габаритов будущих усовершенствованных компонентов энергетических установок. Обмотка ВН изготовлена из 3-х жильного, а обмотка НН из 36-жильного сверхпроводящего провода из NbTi сплава. Диаметр одного элементарного проводника - 0,25 мм. Опытный СП трансформатор с 11,0=11,5 % имел магнитопровод из электротехнической стали, функционирующий при комнатной температуре, на стержне короткого располагался гелиевый криостат из ЭПС армированный стекловолокном. Проведены эксперименты при холостом ходе, коротком замыкании, а также при полной нагрузке в длительном режиме, при перегрузке и отклонениях от нормального режима работы. СП трансформатор допускает нагрузку до 418 кВА, измеренные потери в обмотках составили около 1 Вт. Определен уровень тока, при котором обмотка ВН теряет сверхпроводимость. Защита от потери сверхпроводимости, которой оборудован СП трансформатор, срабатывала надежно через 15-25 мс. Был сделан вывод о том, что СП трансформатор мог бы снизить электрические потери и массу вплоть до 50 % и габариты на 50-70 %. Одним из выводов ученых и исследователей концерна АВВ, явилось утверждение о том, что для промышленных сверхпроводящих трансформаторов в качестве охлаждающей жидкости будет использоваться жидкий азот, что потребует использования новых высокотемпературных сверхпроводящих проводов.
В качестве электромагнитного устройства ввода энергии в сверхпроводящий кабель, изготовленный из станида ниобия, создан и прошел экспериментальное испытание однофазный сверхпроводящий трансформатор, описанный в работе [153]. СП трансформатор мощностью 667 кВА напряжением 440/220 В рассчитывался на токи: в первичной обмотке 1515 А, во вторичной -  3030 А. Максимальное поле рассеяния в обмотках трансформатора было снижено за счет увеличения числа групп обмоток.
В Российской Федерации разработку и изготовление сверхпроводящих проводов для различных сверхпроводящих устройств, в том числе и для сверхпроводящих трансформаторов, осуществляло НПО ВНИИКП [23,137] и ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара [212].В настоящее время ВНИИНМ разрабатывает и производит:
Многоволоконные проводники на основе NbTi и NbTiTa сплавов (для магнитных систем используемых в ЯМР томографах, в ускорителях, токамаках, сепараторах, криотурбогенераторах, двигателях и генераторах переменного тока):

1. круглые провода в матрицах из меди и медных сплавов (более 50 типоразмеров с диаметром в диапазоне 0,1 - 2,0 мм, с числом волокон от 6 до 130000, длиной до 30 км);
2. провода прямоугольного сечения (от 7 до 28 мм²) с критическим током до 18000 А в магнитном поле 5 Тл.

Технические характеристики некоторых типов проводников из Nb-Ti

Композиционные проводники на основе NbaSn для магнитных систем установок термоядерного синтеза, криоэлектромашин и высокопольных магнитов:
провода диаметрами от 0,5 мм до 1,5 мм с числом волокон от 4000 до 44000 при диаметре от 1,0 до 3,5 мкм и конструктивной критической плотностью тока на сечение без стабилизирующей меди

1. до 1500 А/мм² (в магнитном поле 8 Тл),
2. до 800 А/мм² (в поле 12 Тл),
3. до 400 А/мм² (в поле 16 Тл).

Технические характеристики некоторых типов проводников из Nb3Sn.

Анализ научно-технических материалов, опубликованных в современной отечественной и зарубежной литературе, по низкотемпературным сверхпроводящим трансформаторам показывает некоторое уменьшение проектов и разработок трансформаторов с жидкогелиевым охлаждением. Тем не менее, непременно существуют или будут существовать те области науки, техники, промышленности и т.д., где СП трансформаторы с НТСП обмотками найдут свое практическое применение. Кроме того, богатый опыт работы, связанный с разработкой, изготовлением и исследованием низкотемпературных сверхпроводящих трансформаторов, значительно облегчает проблемы трансформаторов с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников.