Том 336 № 5 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/5/4857
Преимущества использования трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками на повышенной частоте в мобильных и автономных системах электроснабжения
Актуальность. Активные и пассивные элементы трансформаторного электрооборудования достигли своего предела совершенства, что существенно ограничивает возможности для дальнейшей модернизации и требует разработки новых инновационных решений. Это в значительной степени относится к мобильным и автономным системам электроснабжения, в частности для решения задач геоинжиниринга при изменении локации геоизыскательных работ. Цель. Новое конструктивное исполнение трансформаторного электрооборудования на основе криогенных технологий с улучшением их электрических и технико-экономических характеристик, где в качестве криогенной диэлектрической среды используется жидкий азот при температуре 77 K. Методы. Математическое моделирование явления скин-эффект методом конечных элементов; определение характеристики магнитопровода из аморфного сплава эмпирическим методом и физическое моделирование экспериментальной модели прототипа высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора. Результаты и выводы. Приведен анализ и синтез характеристик магнитопровода из аморфного железа и сверхпроводящих обмоток в высокотемпературном сверхпроводящем трансформаторе. Получены зависимости и графики влияния повышения частоты тока на тепловые потери, связанные с гистерезисом и вихревыми токами, из которых складываются потери в магнитопроводе, а также показана зависимость уменьшения массы сердечника и витков обмоток от частоты с использованием высокотемпературной сверхпроводящей ленты, в которой плотность тока может достигать 500 А/мм2. Это в свою очередь влияет на размеры обмоток трансформатора и, следовательно, на размеры магнитопровода. Наиболее существенным результатом с использованием явления сверхпроводимости в высокотемпературных сверхпроводящих трансформаторах является тот факт, что они являются идеальным диамагнетиками, а обмотки имеют высокую величину электрической проводимости, следовательно, в трансформаторах и электрических машинах исчезает проблема вытеснения тока к поверхности проводника – «скин-эффект» и увеличения сопротивления. С помощью теоретического анализа с использованием условий функций Бесселя доказано отсутствие скин-эффекта в высокотемпературных сверхпроводящих проводниках по причине нулевого активного сопротивления. Значимость результатов заключается в повышении КПД трансформатора при работе на повышенных частотах благодаря синтезу свойств активных элементов трансформатора: магнитопровода из аморфного железа, высокотемпературных сверхпроводящих обмоток и диэлектрической среды из жидкого азота. На этой основе разработан и создан промышленный экземпляр высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора мощностью 25 кВА.
Ключевые слова:
скин-эффект, сверхпроводимость, повышенная частота, аморфный магнитопровод, ВТСП трансформатор, жидкий азот
