RU2168783C1

RU2168783C1 - Superconducting transformer winding

Info

Publication number: RU2168783C1
Application number: RU2000104485A
Authority: RU
Inventors: Ш.И. Лутидзе; Э.А. Джафаров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; power engineering for cryogenics. SUBSTANCE: transformer winding has primary and secondary multilayer coils of superconducting wire whose adjacent uniformly wound turns and adjacent layers are respectively spaced apart. Novelty is that space between every adjacent layers equals distance between adjacent turns which is found from equations: b = td, where

d is diameter of superconductor; W is total number of winding turns; a is width of channel between superconducting windings; n₂ is number of turns in layer; n₁ is number of layers; t is turn pitch. EFFECT: facilitated manufacture with transformer efficiency maintained at high level. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной электротехники, в частности к конструкции сверхпроводящей обмотки трансформатора, и может быть использовано в электроэнергетике. The invention relates to the field of cryogenic electrical engineering, in particular to the design of a superconducting winding of a transformer, and can be used in the electric power industry.

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. A superconducting multilayer winding of a power transformer is known, containing cylindrical concentrically arranged primary and secondary windings with a scattering channel between them and a rod-type ferromagnetic core located in a warm zone at room temperature (Wilkinson KIR Supereonductiv Windings in power transformers Proc. IEE 1963, v 110, N 12, p. 2271-2279). The transformer windings operate in a liquid-helium medium. The indicated design of the superconducting transformer windings has significant drawbacks, since in the scattering channel m Between the primary and secondary windings, the induction of the scattering magnetic field is created by the total ampere-turns of the primary and secondary windings and turns out to be high, while in the windings themselves each coil, in addition to being in the magnetic field created by its own current, is affected by the magnetic field generated by the neighboring currents There is also a strong edge effect, resulting in a strong distortion of the scattering field and an excessive increase in current density at the edges of the cylindrical windings. All this leads to a significant increase in losses in the windings, a decrease in the current carrying capacity of the windings and a decrease in the efficiency of the transformer.

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. A known design of a superconducting winding of a transformer containing primary and secondary multilayer windings of a superconducting wire, the turns of which are located at a distance t = πd from each other, where d is the diameter of the superconductor, the first three layers of the winding being spaced from each other at distances equal to two and three diameters of the superconducting conductor, and subsequent layers are located at a distance equal to the distance between the turns (US Pat. RF N 2082242, H 01 F 6/06, from 20.06.97). The proposed technical solution for the implementation of a superconducting multilayer winding can reduce the distance between the layers of coils, which leads to an increase in the overall efficiency, reduces the overall dimensions of the windings and the cryostat, reduces the consumption of liquid helium and nitrogen and reduces the energy consumption for their liquefaction and functioning. At the same time, this design also allows to increase the unit power of the superconducting winding due to an increase in the number of turns and the associated voltage.

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. However, this technical solution due to the fact that the first three layers of the winding are located at distances equal to two and three diameters of the superconducting conductor, and the subsequent layers are located at a distance equal to the distance between the turns, complicates the manufacturing technology of the superconducting winding due to the uneven stacking of the superconducting layers windings determined by its geometry.

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. The aim of the present invention is to eliminate this drawback, that is, simplification of the manufacturing technology of a superconducting multilayer winding while maintaining a high value of the efficiency of the device. The proposed technical solution for the implementation of the superconducting winding of the transformer will simplify the manufacturing technology of this winding due to the uniform laying of turns and layers of the superconducting winding on the principle of loose uniform winding with predetermined equal pitch of the turns and the distance between the layers.

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.The specified technical result is achieved in that the superconducting winding of the transformer comprises primary and secondary multilayer windings of a superconducting wire, adjacent equally wound turns and adjacent layers of which are respectively spaced from each other, and the distance between each adjacent layers is equal to the distance between adjacent turns, determined from relations b = td, where

d is the diameter of the superconducting wire; W is the total number of turns of the superconducting winding; a is the width of the channel between the superconducting windings; n ₂ is the number of turns; n ₁ is the number of layers; t is the pitch of the turns.

На чертеже представлена схема сечения сверхпроводящей обмотки. The drawing shows a cross-sectional diagram of a superconducting winding.

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.The superconducting winding 1, including the primary and secondary multilayer windings of the superconducting wire 2, is positioned so that each coil in such a superconducting winding is in a field created by its own current flowing through it, and is not affected by the scattering magnetic fields from the neighboring turns. This condition is realized when the induction of the magnetic field of the winding and the magnetic induction of one coil wire B _w = B _{pr are} equal.

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.B _w = μ _o iW / l _sr ; In _pr = μ _o i / πd,
where μ _o magnetic permeability; W is the total number of turns of the superconducting winding of the transformer; l _cf is the average length of the magnetic field line; i is the current flowing through the superconducting winding; d is the diameter of the superconducting wire of the coil.

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.According to the theoretical studies of V. Rogovsky (Petrov G.N. Electric machines, part 1, Moscow, 1974, pp. 114-115)
l _cf = bn ₂ + l / π (a + 2b _n1 ),
where b is the distance between adjacent turns; a is the width of the channel between the superconducting windings; n ₁ is the number of layers of the winding; n ₂ is the number of turns in the layer.

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.From the condition of equality of magnetic induction follows:
Wπd = l _cf = bn ₂ + l / π (a + 2b _n1 )
Where from

b = td, where

Using the above method of placing layers and coils in the superconducting winding of power transformers will increase the current density in them by several orders of magnitude, significantly reduce losses from magnetic fields and expand the possibilities for the practical use of superconducting transformers with both conventional and high-temperature superconductors.

Claims

A superconducting winding of a transformer containing primary and secondary multilayer windings of a superconducting wire, adjacent equally wound turns and adjacent layers of which are respectively spaced from each other, characterized in that the distance between each adjacent layer is equal to the distance between adjacent turns, determined from the ratio b = td, where

d is the diameter of the superconducting wire;
W is the total number of turns of the superconducting winding;
a is the width of the channel between the superconducting windings;
n ₂ is the number of turns in the layer;
n ₁ is the number of layers;
t is the pitch of the turns.