СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ГИБРИДНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2024 года по МПК H01F36/00 H01F27/28 H01F27/36 H01F6/06 H02K55/00 

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

Известна сверхпроводящая многослойная обмотка трансформатора, содержащая цилиндрические, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки, одна из которых намотана ближе к стержню, поверх нее намотана другая обмотка (Wilkinson К.I.R. «Superconductive Windings in power transformers», Proc. IEE1963, v.110, N12, p.2271-2279). Обмотки трансформатора функционируют в жидкогелиевой среде и намотаны из сверхпроводящего провода с относительно однородными критическими параметрами. Указанная конструкция сверхпроводящих обмоток трансформатора обладает существенным недостатком, так как применение сверхпроводящих обмоток экономически целесообразно при достижении токовой нагрузки, приближенной к критическому току сверхпроводящего проводника. В силовых трансформаторах малой мощности с высоким коэффициентом трансформации на стороне высокого напряжения, как правило, ток нагрузки невелик, что приводит к неэффективному применению сверхпроводящей обмотки и удорожанию трансформатора.

Известна сверхпроводящая обмотка, содержащая первичную и вторичную многослойную обмотку из сверхпроводящего проводника (патент RU 2082242C1, H 01 F 6/06, 27/28 от 20.06.1997 г.). Витки обмоток расположены друг от друга на t=πd₀ где d₀ – диаметр сверхпроводника, выполнена многослойной, причем первые три слоя расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками. Это приводит к минимуму влияния магнитных полей проводников друг на друга и тем самым существенно снижаются потери в сверхпроводнике.

Указанная конструкция сверхпроводящих обмоток имеет ряд существенных недостатков. Увеличение расстояния между витками обмоток и между самими обмотками, увеличивает индукцию поля рассеивания трансформатора, которая замыкается за пределами магнитопровода, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) и мощности трансформатора.

Целью настоящего изобретения является создание сверхпроводящего гибридного трансформатора, конструктивное исполнение которого обеспечивает увеличение плотности тока в проводниках обмоток и коэффициента полезного действия (КПД), а так же уменьшает потери электроэнергии и массогабаритные характеристики трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкции сверхпроводящего гибридного трансформатора обмотка высокого напряжения выполнена из металла или металлических сплавов и находится над обмоткой низкого напряжения, которая выполнена из сверхпроводящего проводника, вдоль стержней магнитопровода, а также между обмотками расположен экран из диамагнетика или сверхпроводникового материала.

Соответственно, технический результат заявляемого технического решения состоит в следующем.

Предлагаемое техническое решение позволяет улучшить технико-экономические показатели, а именно увеличить плотность тока в обмотках, КПД трансформатора и уменьшить потери электроэнергии и массогабаритные характеристики трансформатора.

Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий гибридный трансформатор, включает магнитопровод, криостат, силовые многослойные цилиндрические обмотки высокого и низкого напряжения с концентрически расположенными слоями витков, которые находятся в диэлектрической криогенной среде из жидкого азота и расположены одна над другой для каждой фазы, обмотка низкого напряжения выполнена из сверхпроводящего проводника, а обмотка высокого напряжения выполнена из металла или металлических сплавов, при этом обмотка высокого напряжения находится над обмоткой низкого напряжения вдоль стержней магнитопровода, между обмотками расположен экран из диамагнетика или сверхпроводникового материала.

Заявляемое техническое решение поясняется изображением сверхпроводящего гибридного трансформатора (фиг. 1), который содержит магнитопровод 1, криостат 2, силовые многослойные цилиндрические обмотки высокого напряжения 3 и низкого напряжения 4 с концентрически расположенными слоями витков. Трансформатор имеет гибридное исполнение обмоток, обмотка низкого напряжения 4 выполнена из сверхпроводящего проводника, обмотка высокого напряжения 3 выполнена из металла или металлических сплавов, предпочтительно из алюминия, меди или сплавов на их основе. Обмотки 3, 4, намотаны цилиндрически с концентрически расположенными слоями и находятся в диэлектрической криогенной среде из жидкого азота 5. Обмотки 3, 4 расположены одна над другой для каждой фазы, при этом обмотка низкого напряжения 4 с увеличенной плотностью тока изготавливается из сверхпроводящего проводника и находится в нижней секции 8 криостата 2, а обмотка высокого напряжения 3 изготавливается из металла или металлических сплавов и находится в верхней секции 7 криостата 2 над сверхпроводящей обмоткой низкого напряжения 4 вдоль стержней магнитопровода 1. Благодаря тому, что обмотка 3 высокого напряжения из обычного проводника охлаждена до температуры кипения жидкого азота, активное сопротивление для алюминия и меди уменьшается в 5-7 раз, что позволяет соответственно увеличить плотность тока и уменьшить массогабаритные характеристики трансформатора.

Для снижения влияния электромагнитного поля рассеивания, созданное обмоткой высокого напряжения 3, на сверхпроводящую обмотку 4, между вертикально расположенными обмотками 3, 4 располагается экран 6 из диамагнетика или сверхпроводникового материала. Экран 6, выполненный из диамагнетика, за счет своего свойства намагничиваться против направления внешнего магнитного поля, позволяет значительно снизить влияния внешнего магнитного поля на сверхпроводящую обмотку трансформатора.

Одно из преимуществ применения сверхпроводящих обмоток является ограничение токов короткого замыкания.

Наличие сверхпроводящего проводника позволяет увеличить плотность тока в обмотке трансформатора, что в свою очередь приведет к уменьшению объема (размера) обмотки и магнитопровода трансформатора, следовательно, потери электроэнергии в магнитопроводе уменьшаются. Благодаря нулевому сопротивлению сверхпроводника в криогенной среде отсутствуют Джоулевые потери, что совместно с уменьшением массы магнитопровода приводит к увеличению КПД.

Заявленное решение может быть реализовано в области криогенной электротехники, а именно в конструкциях сверхпроводящего трансформатора, и может быть использовано в электроэнергетике для трансформации электрической энергии в системах электроснабжения и электроэнергетических системах, включая мобильные и транспортные автономные и локальные системы в гибридном исполнении.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к обмоткам трансформатора, и может быть использовано в энергетике, связанной с криогенной электротехникой. Технический результат состоит в увеличении плотности тока в обмотках, КПД трансформатора и уменьшении потерь электроэнергии и массогабаритных характеристик трансформатора. Сверхпроводящий гибридный трансформатор включает магнитопровод, криостат, силовые многослойные цилиндрические обмотки высокого и низкого напряжения с концентрически расположенными слоями витков, которые находятся в диэлектрической криогенной среде из жидкого азота и расположены одна над другой для каждой фазы. Обмотка низкого напряжения выполнена из сверхпроводящего проводника. Обмотка высокого напряжения выполнена из металла или металлических сплавов. Обмотка высокого напряжения находится над обмоткой низкого напряжения вдоль стержней магнитопровода. Между обмотками расположен экран из диамагнетика или сверхпроводникового материала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сверхпроводящий гибридный трансформатор, включающий магнитопровод, криостат, силовые многослойные цилиндрические обмотки высокого и низкого напряжения с концентрически расположенными слоями витков, которые находятся в диэлектрической криогенной среде из жидкого азота и расположены одна над другой для каждой фазы, обмотка низкого напряжения выполнена из сверхпроводящего проводника, а обмотка высокого напряжения выполнена из металла или металлических сплавов, отличающийся тем, что обмотка высокого напряжения находится над обмоткой низкого напряжения вдоль стержней магнитопровода, между обмотками расположен экран из диамагнетика или сверхпроводникового материала.

2. Сверхпроводящий гибридный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что обмотка высокого напряжения выполнена из алюминия, меди или сплавов на их основе.