На рис. 57а изображена конструктивная схема сверхпроводящего трансформатора с отдельной обмоткой возбуждения, а на рис. 57б - его электрическая схема [217].
СП трансформатор состоит из магнитопровода 1, первичной 2 и вторичной 3, СП обмоток, обмотки возбуждения 4 и конденсатора 5.
Число витков первичной обмотки превышает число витков, параллельно подключенной ей обмотки возбуждения, в 1,01-1,02 раза, что обеспечивает протекание тока возбуждения СПТ практически полностью в обмотке возбуждения, благодаря чему этот ток не создает потерь в первичной и вторичной силовых обмотках. При этом, обмотку возбуждения и параллельно включенный ей конденсатор, можно подключить лишь к части первичной обмотки, сохраняя между подключаемыми частями указанное соотношение числа витков. Применение конденсатора позволяет выбрать число витков обмотки возбуждения значительно меньшим числа витков первичной обмотки, сохраняя между параллельно соединенными частями указанное число витков.
Данное конструктивное решение позволяет скомпенсировать первичные и вторичные ампервитки, снизить потери и повысить КПД СП трансформатора.
Рис. 57. СПТ с отдельной обмоткой возбуждения (а) и его электрическая схема (б)
Одной из целей создания силовых сверхпроводящих трансформаторов является возможность использования их в качестве концевых электромагнитных устройств ввода электрической энергии из обычных энергосистем или линий электропередач в сверхпроводящие ЛЭП, а также вывода энергии из них, для передачи в нагрузки, работающие при обычной (300 К) температуре [218].
На рис. 58 приведена электрическая схема электромагнитного устройства ввода энергии из обычной энергетической сети или энергосистемы в сверхпроводящий кабель переменного тока, обладающего способностью токоограничения в аварийном режиме короткого замыкания. Оно представляет собой силовой трансформатор с магнитопроводом 1, находящимся при обычной температуре и включает в себя первичную обмотку 2, вторичную обмотку 3 и обмотку возбуждения 4, при этом первичная обмотка и обмотка возбуждения размещены в низкотемпературной зоне (жидкий азот, 77 К), а вторичная обмотка является сверхпроводящей и помещена в жидкогелиевую зону.
Рис. 58. СПТ с токоограничением в режиме короткого замыкания
Схема содержит также вольтодобавочный трансформатор с первичной 5 и вторичной 6 силовыми обмотками, размещенными на ферромагнитном сердечнике 7, выполненном с немагнитным зазором, причем первичные обмотки обоих трансформаторов соединены последовательно в одну цепочку, вторичная же обмотка вольтодобавочноного трансформатора и обмотка возбуждения силового трансформатора соединены последовательно в другую цепочку и обе цепочки соединены параллельно одна с другой.
В рабочем режиме ток в обмотке возбуждения создает основной магнитный поток в магнитопроводе силового трансформатора. Специально подобранные параметры вольтодобавочного трансформатора, в этом режиме, обеспечивают протекание по обмотке возбуждения небольшого по величине намагничивающего тока. При возникновении аварийного режима короткого замыкания во вторичной сверхпроводящей обмотке, увеличение тока в первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора обуславливает увеличение тока в обмотке возбуждения. Резкое увеличение тока в этой обмотке влечет ш собой увеличение ее магнитного потока.
Разность магнитных потоков силовой первичной обмотки и обмотки возбуждения приведет к снижению передачи энергии во вторичную сверхпроводящую обмотку, тем самым, снижая ток короткого замыкания до безопасного уровня.
Такой трансформатор, совмещающий функции концевого устройства ввода энергии системы генератор - СПЛЭП - нагрузка и ограничителя токов короткого замыкания, способен найти практическое применение и увеличить надежность сверхпроводящих линий электропередач, в которых генерирование и потребление электроэнергии осуществляется традиционным электрооборудованием при обычной температуре, а передача - с помощью сверхпроводящего кабеля.
На рис. 59а показана конструктивная схема СП трансформатора с бифилярно намотанным силовыми СП обмотками, а на рис. 59б его электрическая схема для варианта при коэффициенте трансформации равном 1: 3[219].
Рис. 59. СПТ с малым магнитным полем рассеяния (а) и его электрическая схема (б)
Сверхпроводящий трансформатор, с двухстержневой магнитной системой 1 и цилиндрическими силовыми первичной 2 и вторичной 3 обмотками, витки которых выполнены из СП материала в виде внутреннего и наружного трубчатого проводников, размещенных коаксиально друг относительно друга на одном стержне магнитной системы, содержит обмотку возбуждения 4, соединенную параллельно первичной обмотке (на рис. 59а не показано) и размещенную на втором стержне магнитной системы.
Первичная силовая обмотка выполнена в виде отдельных секций с равным числом витков, соединенных между собой параллельно. Для варианта при коэффициенте трансформации равном 3, она разделена на три равные части, выполненные из трубки из сверхпроводящего сплава.
Части первичной обмотки (их число может быть разным для получения соответствующего коэффициента трансформации) соединены между собой сверхпроводящими перемычками (шинами) 6.
Вторичная силовая обмотка 3 также выполнена из трубки из СП сплава и помещена внутри первичной силовой обмотки трансформатора.
Между силовыми обмотками размещен изоляционный слой 5. СП трансформатор содержит также тороидальный (на рис. 59а показан условно, пунктирными линиями) неметаллический, например стеклопластиковый, криостат 7, в котором размещены первичная и вторичная силовые обмотки. Обмотка возбуждения выполнена из обычного проводникового материала и, вместе с магнитной системой СП трансформатора, функционирует при обычной комнатной температуре.
Изготовление силовых обмоток трансформатора в виде трубчатых проводников значительно повышает их токонесущую способность и тем самым мощность СП трансформатора. Расположение обмоток коаксиально, уменьшает канал и поле рассеяния между обмотками, делает магнитное поле рассеяния более однородным и, уменьшив, таким образом, потери, повышает КПД трансформатора. Первичная силовая обмотка может быть выполнена неразделенной и тогда СП трансформатор может быть использован для гальванического разделения между сверхпроводящими системами «генератор-кабель-нагрузка».
Таким образом, СП трансформатор с использованием аксиальных соосно расположенных трубчатых проводниковых в качестве силовых обмоток может быть выполнен как повышающим (понижающим), так и раздельным.
Усовершенствованным СП трансформатором такого типа является конструкция, описанная в [220]. Отличительной особенностью ее является то, что наружный и внутренний проводники обмоток выполнены в поперечном сечении в виде спирали, между витками которой размещена спиралеобразная прокладка из диэлектрического материала. Изготовление наружного и внутреннего проводников обмоток в виде спирали, значительно повышает токонесущую способность сверхпроводящего трансформатора, практически без изменения его массогабаритных показателей. Это условие достаточно очевидно, учитывая, что периметр и площадь спирали превышают эти величины у трубки соизмеримых размеров. Таким образом, увеличивая площадь токонесущей поверхности, появляется возможность пропускать большие по величине силовые токи, тем самым увеличивая мощность СП трансформатора.
Увеличение токонесущей способности и КПД сверхпроводящего трансформатора, в котором витки силовых обмоток находятся в собственных магнитных полях и не испытывают практически влияния магнитных полей соседних витков обмоток, описано в [216, 221, 222].
На рис. 60а изображен общий вид в разрезе СП трансформатора, на рис. 60б - сечение А-А, на рис. 60в - сечение обмотки, перпендикулярное к ее оси; на рис. 60г - расположение одного витка обмотки на поверхности каркаса; на рис 60д - размещение проводников одной из обмоток. [221]
Рис. 60. СПТ с собственным магнитным нолем витков
а) - общий вид в разрезе
б) - сечение А-А’
в) - сечение обмотки, перпендикулярное к ее оси
г) - расположение одного витка обмотки на поверхности каркаса
д) - размещение проводников одной из обмоток
Конструкция трансформатора состоит из магнитопровода 1, криостата 2, первичной 3 и вторичной 4 обмоток. На изолирующем каркасе 5 (рис. 60а), имеющем форму полого трубчатого кольца и выполненного из электрически непроводящего материала, намотана кольцеобразная вторичная обмотка. На каркасе 6, имеющем также форму полого трубчатого кольца, расположенного коаксиально относительно каркаса 5, намотана первичная кольцеобразная обмотка, каркас 6 через распорки 7 опирается на вторичную обмотку. Пространства 8 и 9 служат в качестве охлаждающих каналов с жидким гелием. Сверхпроводящие первичная и вторичная обмотки расположенные на поверхностях концентрично расположенных трубчатых каркасов, имеют спиральную намотку, такую, что витки обмоток образуют одну скрутку вокруг продольной оси кольцеобразной поверхности.
На рис. 60г показано в качестве примера схематическое расположение одного витка 10 обмотки на кольцеобразной поверхности 11 с образующей 12 и продольной осью 13. При этом расстояние t между центрами соседних проводников обмотки по периметру поверхности трубчатого каркаса (рис. 60д) равно:
t = πd0
где d0 - диаметр СП проводника.
Благодаря выполнению СП обмотки в виде спиральной, скрученной вокруг кольцевой поверхности трубчатого каркаса, все витки обмотки имеют одинаковую длину и занимают одинаковое положение в магнитном поле, образуя, таким образом симметричную обмотку и симметричное магнитное поле, что позволяет уменьшить потери в СП обмотках. Применение в СП трансформаторе обмоток с расположением проводников обмоток на расстоянии друг от друга по периметру поверхности кольцеобразного трубчатого каркаса, равном t=nd0 позволяет снизить магнитное поле и потери в сверхпроводнике.
Условие, которое выполняется при определенном соотношении геометрических размеров обмотки, а именно соотношение:
t=πd0, основано на равенстве индукций проводника Впр и индукции обмотки Воб. Эти индукции определяются следующими выражениями:
где: I- ток через проводник
W — число витков обмотки
D — диаметр кольцевой обмотки
При равенстве индукции проводника и обмотки, они находятся в магнитном отношении в тех же условиях, что и при одном витке (W=1), т.е. магнитное поле обмотки будет минимальным. Поэтому из равенства: ВОБ=ВПР определится размер D=Wd0. С другой стороны, расстояние между проводниками определяется равенством:
при выполнении которого, магнитное поле в сверхпроводнике обмоток будет минимальным и равным полю одного витка, а токонесущая способность и КПД СП трансформатора — максимальными.
Конструкция сверхпроводящего тороидального трансформатора с поперечной бифилярной намоткой силовых обмоток, обмоткой возбуждения и немагнитным сердечником приведена в [223].
На рис. 61а представлен общий вид такого СП трансформатора, на рис. 61б - его поперечное сечение, а на рис. 61в - его электрическая схема.
Трансформатор содержит фторопластовый сердечник 1 тороидальной формы, на наружной поверхности которого расположена сверхпроводящая обмотка возбуждения 2, равномерно распределенная по всей его длине. Первичная силовая сверхпроводящая обмотка 3 и вторичная силовая сверхпроводящая обмотка 4 намотаны бифилярно двумя проводами и удалены от обмотки возбуждения. Параллельно обмотке возбуждения подключен конденсатор 5, образующий с ней резонансный контур. СП обмотка возбуждения, а также первичная и вторичная силовые обмотки находятся в гелиевом криостате 6. Обмотка возбуждения подключена к автономному источнику 7, синфазного с напряжением питания СП трансформатора. Резонанс в обмотке возбуждения обуславливает протекание в ней намагничивающего тока при минимальном расходе энергии источника питания.
в)
Рис. 61. СП тороидальный трансформатор а) общий вид; б) поперечное сечение; в) электрическая схема
Силовые первичная и вторичная обмотки имеют относительно друг друга сильную магнитную связь, что достигается их одновременной намоткой (бифилярно) двумя проводами и слабую магнитную связь с обмоткой возбуждения, что достигается удалением первичной и вторичной силовых обмоток от обмотки возбуждения на расстояние Δ, определяемое из выражения:
где: R1 - радиус первичной обмотки. Такая конструктивная схема силового СП трансформатора позволяет полностью скомпенсировать ампервитки силовых обмоток, в результате чего снижаются магнитные поля рассеяния и связанные с ними магнитные потери в этих обмотках, что ведет к увеличению КПД и повышению токонесущей способности обмоток сверхпроводящего трансформатора.
