Nadprzewodniki są materiałami, które cechują się zanikiem rezystancji przy bardzo niskich temperaturach. Cecha ta pozwala zwiększanie efektywności energetycznej poprzez zmniejszanie strat mocy, co z kolei otwiera im drogę do zastosowania w wielu dziedzinach techniki. Wśród potencjalnych zastosowań rozważa się zastosowanie ich w transformatorach.
Obecnie stosowane transformatory cechują się bardzo dużą sprawnością na poziomie 95%. Jednak te 5% strat powodują aż do 40% strat energii, jaką mają miejsce w kontekście całego systemu elektroenergetycznego. W celu poprawy sprawności transformatorów dąży się do zwiększenia ich sprawności między innymi poprzez zmniejszenie strat w uzwojeniach transformatora. Jedynym z pomysłów jest eliminacja rezystancji uzwojeń poprzez zastosowanie przewodów nadprzewodnikowych.
Przewody nadprzewodnikowe cechują się zanikiem rezystancji przy schłodzeniu ich poniżej pewnej wartości temperatury, charakterystycznej dla danego materiału. W praktycznych realizacjach transformatorów jest to realizowane za pomocą umieszczenia uzwojeń w ciekłym azocie o temperaturze -195,8°C (77 K). Porównując technologie przewodów miedzianych do przewodów nadprzewodnikowych, można zauważyć, nie tylko eliminują problem strat wynikający z rezystancji, ale również pozwalają na ograniczenie wymiarów uzwojeń.
Transformatory oparte o uzwojenia nadprzewodnikowe cechują się większymi gęstościami mocy, mniejszymi wymiarami (nawet o 40%), mniejszą masą oraz innym sposobem chłodzenia. Wymienione cechy pozwalają na łatwe zwiększanie obciążenia znamionowego, zwiększenie odporności na zwarcia, łatwiejszą regulację napięcia.
Porównując transformatory nadprzewodnikowych do transformatorów konwencjonalnych, można zauważyć, że podczas normalnej pracy cechują się mniejszymi stratami całkowitymi na poziomie 30%. Eliminacja strat wynikających z rezystancji jest istotna w przypadku pracy transformatora przy zwiększonym obciążeniu transformatora ponad znamionowe. Te dwa rodzaje transformatorów można porównać przy jednakowych: mocach transformatorów, przekładniach napięciowych, przekładniach zwojowych, częstotliwości pracy oraz indukcji magnetycznej w rdzeniu. Przykładowe porównanie transformatorów o mocy 100 MVA zostało przedstawione w tabeli poniżej.
Tab. 1. Porównanie transformatora konwencjonalnego i nadprzewodnikowego
Rozważając zalety i wady, warto zauważyć, że transformatory nadprzewodnikowe cechują się o wiele lepszymi właściwościami podczas pracy w przeciążeniu. Wśród ich wad należy wymienić wysokie koszty związane z taśmami nadprzewodnikowymi oraz kosztami chłodzenia. Koszty te cały czas maleją wraz z rozwojem nadprzewodnikowej inżynierii materiałowej oraz rozwojem technik chłodzenia.
Źródło:
[1] – Komarzyniec G. – Prąd włączania transformatorów nadprzewodnikowych
[2] – Woźniak Ł., Surdacki P. – Technologie transformatorów nadprzewodnikowych
[3] – kit.edu/english/ – strona internetowa Karlsruher Institut für Technologie
