Modeling and experimental study of the inrush current of a high-temperature superconducting transformer

Abstract

Inrush current in high-temperature superconducting (HTS) transformers is a little-studied phenomenon. After connecting to the power grid, a current flow through the windings which exceeding the critical current value of the superconducting tape. It may cause significant overheating and thermal damage of winding. The purpose of the study is to develop a mathematical model for calculating inrush current pulses in a HTS transformer and its verification by physical experiments. To achieve the goal of the study, a mathematical model has been developed that accurately represents the electromagnetic and thermal transient processes after HTS transformer is turned on at idling or under load. The model considers the critical parameters of the HTS tapes, the process of heating and cooling of the windings, quench characteristics, and the electrical and magnetic parameters of the transformer. Good compliance of the experimental results and mathematical modeling with a deviation of 1.99 % allowed us to verify the model. The most important result is the creation of a mathematical model of the HTS transformer at the moment of connecting to power grid. This model represents the temperature changing of the windings during the loss of superconductivity. The developed model can be used in the analysis and modeling of inrush current in designed and operating HTS transformers for any power. The obtained results are significant for determine the optimal starting characteristics, geometric and electrical parameters of HTS transformers. The proposed methods for reducing the inrush current ensure safe and reliable operation of the HTS transformer when switched on at idling or under load.

Curentul de pornire în transformatoarele supraconductoare de temperatură înaltă (STÎ) este un fenomen puțin studiat. După conectarea la rețeaua electrică, prin înfășurări curge un curent care depășește valoarea critică a curentului benzii supraconductoare. Poate provoca supraîncălzire semnificativă și deteriorare termică a înfășurării. Scopul studiului este de a elabora un model matematic pentru calcularea impulsurilor de curent de pornire într-un transformator STÎ și verificarea acestuia prin experimente fizice. Pentru a atinge scopul studiului, a fost elaborat un model matematic care reprezintă cu acuratețe procesele tranzitorii electromagnetice și termice după ce transformatorul STÎ este pornit la ralanti sau sub sarcină. Modelul ia în considerare parametrii critici ai benzilor STÎ, procesul de încălzire și răcire a înfășurărilor, caracteristicile de stingere și parametrii electrici și magnetici ai transformatorului. O bună conformitate a rezultatelor experimentale și modelarea matematică cu o abatere de 1,99 % ne-a permis să verificăm modelul. Cel mai important rezultat este crearea unui model matematic al transformatorului STÎ în momentul conectării la rețeaua electrică. Acest model reprezintă schimbarea temperaturii înfășurărilor în timpul pierderii supraconductivității. Modelul elaborat poate fi utilizat în analiza și modelarea curentului de pornire în transformatoarele STÎ proiectate și în exploatare pentru orice putere. Rezultatele obţinute sunt semnificative pentru determinarea caracteristicilor optime de pornire, a parametrilor geometrici şi electrici ai transformatoarelor STÎ. Metodele propuse pentru reducerea curentului de pornire asigură funcționarea sigură și fiabilă a transformatorului STÎ atunci când este pornit la ralanti sau sub sarcină.

Бросок пускового тока в высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) трансформаторах – явление малоизученное. Протекающий при включении ток способен во много раз превысить критическое значение тока сверхпроводящей ленты, вызывая при этом значительный перегрев обмотки и дальнейшее термическое повреждение. Целью работы является разработка математической модели электромагнитного и теплового переходных процессов при коммутации ВТСП трансформатора с электрической сетью. Для достижения цели исследования разработана математическая модель, описывающая электромагнитный и тепловой переходные процессы при включении ВТСП трансформатора на холостой ход и под нагрузкой. Представленная в работе модель учитывает критические параметры сверхпроводника (ток и температуру), процесс нагрева и охлаждения обмоток в момент потери и возврата сверхпроводящего состояния, электрические и магнитные параметры исследуемого трансформатора. При сравнении результатов численного моделирования с натурными экспериментами среднее отклонение между максимумами первых пяти периодов тока в обмотках трансформатора составило 1,99 %, что позволило верифицировать математическую модель. Наиболее важным результатом является создание математической модели переходных электромагнитных и тепловых процессов при включении ВТСП в электрическую сеть, которая в отличии от существующих моделей учитывает изменение температуры обмоток при потере сверхпроводимости. Разработанная модель может быть использована при анализе и моделировании броска пускового тока в проектируемых и существующих ВТСП трансформаторах любой мощности. Показано, что высокие значения пускового тока способны повредить обмотки и привести к аварийному отключению. Значимость полученных результатов заключается в определении пусковых характеристик с точностью до 98.01 %, которые могут быть использованы для определения оптимальных геометрических и электрических параметров обмоток при проектировании и эксплуатации ВТСП трансформаторов. Предложенные методы снижения пускового тока, обеспечивают безопасную и надежную работу ВТСП трансформатора при включении на холостой ход и под нагрузкой.