Сверхпроводящая обмотка трансформатора

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к сверхпроводящей обмотке трансформатора, и может быть использовано в энергетике, связанной с криогенной электротехникой. Технической задачей данного изобретения является упрощение технологии изготовления данной обмотки при одновременном поддержании высокого значения КПД трансформатора. Сущность изобретения состоит в том, что сверхпроводящая обмотка трансформатора содержит первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего провода, соседние равномерно намотанные витки и соседние слои которых расположены соответственно на расстояниях друг от друга. При этом согласно изобретению расстояние между каждыми соседними слоями равно расстоянию между соседними витками, определяемому из соотношений b = td, где d - диаметр сверхпроводящего проводника; W - общее число витков сверхпроводящей обмотки; a - ширина канала между сверхпроводящими обмотками; n₂ - число витков в слое; n₁ - число слоев; t - шаг витков. 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной электротехники, в частности к конструкции сверхпроводящей обмотки трансформатора, и может быть использовано в электроэнергетике.

Известна сверхпроводящая многослойная обмотка силового трансформатора, содержащая цилиндрические, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки с каналом рассеяния между ними и ферромагнитный сердечник стержневого типа, расположенный в теплой зоне, при комнатной температуре (Wilkinson K. I. R. "Supereonductiv Windings in power transformers Proc. IEE 1963, v. 110, N 12, p. 2271-2279). Обмотки трансформатора функционируют в жидкогелиевой среде. Указанная конструкция сверхпроводящих обмоток трансформатора обладает существенными недостатками, так как в канале рассеяния между первичной и вторичной обмотками индукция магнитного поля рассеяния создается суммарными ампервитками первичной и вторичной обмоток и получается высокой. При этом в самих обмотках каждый виток, кроме того, что находится в магнитном поле, создаваемом собственным током витка, испытывает влияние магнитного поля, создаваемого токами соседних витков обмотки. Имеет место также и сильный краевой эффект, в результате чего получается сильное искажение поля рассеяния и чрезмерное увеличение плотности тока на краях цилиндрических обмоток. Все это приводит к существенному увеличению потерь в обмотках, уменьшению токонесущей способности обмоток и понижению КПД трансформатора.

Известна конструкция сверхпроводящей обмотки трансформатора, содержащей первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего провода, витки которого расположены друг от друга на расстоянии t = πd, где d - диаметр сверхпроводника, причем первые три слоя обмотки расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками (пат. РФ N 2082242, H 01 F 6/06, от 20.06.97 г.). Предложенное техническое решение выполнения сверхпроводящей многослойной обмотки позволяет уменьшить расстояние между слоями витков, что ведет к увеличению общего КПД, уменьшает массогабаритные показатели обмоток и криостата, уменьшает расход жидкого гелия и азота и снижает энергозатраты на их ожижение и функционирование. Одновременно данная конструкция позволяет повысить также единичную мощность сверхпроводящей обмотки вследствие увеличения числа витков и связанного с этим напряжения.

Однако данное техническое решение вследствие того, что первые три слоя обмотки расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками, усложняет технологию изготовления сверхпроводящей обмотки вследствие неравномерности укладки слоев сверхпроводящей обмотки, определяемой ее геометрией.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, т. е. упрощение технологии изготовления сверхпроводящей многослойной обмотки при одновременном сохранении высокого значения кпд устройства. Предложенное техническое решение выполнения сверхпроводящей обмотки трансформатора позволит упростить технологию изготовления указанной обмотки за счет равномерной укладки витков и слоев сверхпроводящей обмотки по принципу неплотной равномерной намотки с заданными равными шагом витков и расстоянием между слоями.

Указанный технический результат достигается тем, что сверхпроводящая обмотка трансформатора содержит первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего провода, соседние равномерно намотанные витки и соседние слои которых расположены соответственно на расстоянии друг от друга, причем расстояние между каждыми соседними слоями равно расстоянию между соседними витками, определяемому из соотношения b=td, где d - диаметр сверхпроводящего провода; W - общее число витков сверхпроводящей обмотки; а - ширина канала между сверхпроводящими обмотками; n₂ - число витков; n₁ - число слоев; t - шаг витков.

На чертеже представлена схема сечения сверхпроводящей обмотки.

Сверхпроводящая обмотка 1, включающая первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего провода 2, расположена таким образом, чтобы каждый виток в такой сверхпроводящей обмотке находился в поле, создаваемым собственным током, протекающим через него, и не испытывал влияние магнитных полей рассеяния со стороны соседних витков. Это условие реализуется при равенстве индукции магнитного поля обмотки и магнитной индукции одного провода витка В_w = B_пр.

B_w=μ_oiW/l_ср; В_пр= μ_oi/πd, где μ_o магнитная проницаемость; W - общее число витков сверхпроводящей обмотки трансформатора; l_ср - средняя длина силовой линии магнитного поля; i - ток, протекающий по сверхпроводящей обмотке; d - диаметр сверхпроводящего провода витка.

Согласно теоретическим исследованиям В.Роговского (Петров Г.Н. Электрические машины, ч. 1, М., 1974 г., стр. 114-115) l_ср=bn₂+l/π(a+2b_n1), где b - расстояние между соседними витками; a - ширина канала между сверхпроводящими обмотками; n₁ - число слоев обмотки; n₂ - число витков в слое.

Из условия равенства магнитных индукций следует: Wπd=l_ср=bn₂+l/π (a+2b_n1) Откуда

b = td, где

Использование вышеуказанного способа размещения слоев и витков в сверхпроводящей обмотке силовых трансформаторов позволит на несколько порядков увеличить плотность тока в них, значительно снизить потери от магнитных полей и расширить возможности практического применения сверхпроводящих трансформаторов как с обычными, так и высокотемпературными сверхпроводниками.

Формула изобретения

Сверхпроводящая обмотка трансформатора, содержащая первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего провода, соседние равномерно намотанные витки и соседние слои которых расположены, соответственно, на расстояниях друг от друга, отличающаяся тем, что расстояние между каждыми соседними слоями равно расстоянию между соседними витками, определяемому из соотношения b = td, где

d - диаметр сверхпроводящего провода;
W - общее число витков сверхпроводящей обмотки;
a - ширина канала между сверхпроводящими обмотками;
n₂ - число витков в слое;
n₁ - число слоев;
t - шаг витков.

РИСУНКИ

Рисунок 1