СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА В ГЕНЕРАТОРЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD AND SYSTEM FOR CURRENT LIMITATION IN AC GENERATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и системе для ограничения тока в электрической генераторной системе и, более конкретно, к способу соединения сверхпроводящего ограничителя тока повреждения с генератором переменного тока, чтобы ограничивать ток в генераторе.
Предшествующий уровень техники
Сверхпроводящие ограничители тока повреждения, как известно, способны ограничивать ток после возникновения условия повреждения, вводя по существу нулевой импеданс в цепь во время нормального функционирования. Эти устройства обычно работают с очень низким импедансом и прозрачны для электрической цепи ниже порогового тока. После возникновения условия повреждения ток быстро увеличивается выше порогового тока, заставляя сверхпроводник остановить сверхпроводимость, форсируя ток через высокоимпедансный параллельный путь, тем самым ограничивая ток повреждения до предварительно определенного значения.
Открытие так называемых высокотемпературных сверхпроводников, которые могут охлаждаться жидким азотом, а не более дорогостоящим и трудным в обращении жидким гелием, привело к развитию относительно недорогих высокотемпературных сверхпроводящих ограничителей тока повреждения. Использование этих устройств, чтобы ограничивать токи повреждения в коммунальных сетях передачи и распределения энергии привлекательно ввиду отсутствия нежелательных влияний на сеть во время нормального функционирования.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, обеспечен способ ограничения тока в электрической генераторной системе. Способ может содержать подсоединение генератора переменного тока между нагрузкой переменного тока и проводником заземления, подсоединение сверхпроводящего ограничителя тока повреждения между генератором переменного тока и одним из нагрузки переменного тока или проводника заземления, причем сверхпроводящий ограничитель тока повреждения может быть размещен вблизи генератора переменного тока и конфигурирование сверхпроводящего ограничителя тока повреждения, чтобы ограничивать ток в генераторе переменного тока до предварительно определенного максимального тока.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, обеспечена система для ограничения тока в электрической генераторной системе. Система может содержать генератор переменного тока, сверхпроводящий ограничитель тока повреждения и цепь. Сверхпроводящий ограничитель тока повреждения может быть размещен вблизи генератора переменного тока и может находиться между генератором переменного тока и одним из нагрузки переменного тока или проводника заземления, и сверхпроводящий ограничитель тока повреждения может конфигурироваться, чтобы ограничивать ток в генераторе переменного тока до предварительно определенного максимального тока.
Краткое описание чертежей
В то время как описание заканчивается формулой изобретения, конкретно указывающей и четко описывающей заявленное изобретение, считается, что настоящее изобретение будет лучше понято из следующего описания во взаимосвязи с иллюстрирующими чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены сходные элементы и на которых представлено следующее:
Фиг.1 - вид сбоку трехфазного генератора переменного тока для использования в станции генерации электроэнергии, показывающий линейные соединения, нагрузочные соединения, и узел статора, и узел ротора в разрезе;
Фиг.2 - схематичное представление аспекта настоящего изобретения, показывающее трехфазный сверхпроводящий ограничитель тока, соединенный последовательно с нейтральными проводниками трехфазных генераторов переменного тока;
Фиг.3 - схематичное представление другого аспекта настоящего изобретения, показывающее трехфазный сверхпроводящий ограничитель тока, соединенный последовательно с трехфазным генератором переменного тока и трехфазной нагрузкой переменного тока между главными проводниками генератора и трехфазным трансформатором, соединенным с трехфазной передающей и распределительной сетью; и
Фиг.4 - схематичное представление другого аспекта настоящего изобретения, показывающее однофазный сверхпроводящий ограничитель тока повреждения, связанный через трансформатор с однофазным генератором переменного тока.
Детальное описание изобретения
В следующем детальном описании предпочтительных вариантов осуществления даются ссылки на иллюстрирующие чертежи, которые являются частью описания и на которых показаны в качестве иллюстрации, но не ограничения, определенные предпочтительные варианты осуществления изобретения, в которых может быть осуществлено изобретение. Понятно, что могут быть использованы другие варианты осуществления изобретения и что могут быть выполнены изменения без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения.
Согласно аспектам настоящего изобретения, ток в генераторе переменного тока, в дальнейшем - генераторе AC, может быть ограничен предопределенным максимальным значением путем соединения сверхпроводящего ограничителя тока повреждения, в дальнейшем - SFCL, последовательно с электрической цепью, образованной или между генератором и нейтральным соединением, или между генератором и соответствующей нагрузкой. Во время нормальной работы системы SFCL работает в сверхпроводящем режиме и является существенно прозрачным для распределения электроэнергии, например, из-за близкого к нулю импеданса SFCL в сверхпроводящем режиме и получаемого в результате несущественного падения напряжения и соответствующих потерь мощности. После возникновения повреждения или другого условия, приводящего к току, протекающему через SFCL, который превышает заранее определенное пороговое значение проектирования, SFCL останавливает сверхпроводимость, вынуждая ток протекать через более высокий импеданс, таким образом ограничивая ток в генераторе AC до известного максимального значения.
Согласно аспекту настоящего изобретения, SFCL может располагаться в оборудовании генерации соответствующего генератора AC или около него и, таким образом, вблизи генератора AC. Таким образом, генератор AC может быть защищен от электрического и/или физического повреждения, являющегося результатом тока перегрузки, например, возникающего вследствие повреждения, непреднамеренной несогласованной по фазе синхронизации и т.д. Например, SFCL может быть соединен с нейтральными проводниками генератора AC между генератором AC и ассоциированным нейтральным соединением, которое обеспечивает путь к заземлению. В другой примерной конфигурации SFCL может быть соединен с главными проводниками генератора AC между генератором AC и трансформатором, соединенным с линией передачи, которая передает энергию от станции генерации AC к соответствующей нагрузке.
1
Со ссылками на чертежи, особенно на Фиг.1, далее описан примерный генератор 100 переменного тока для использования в оборудовании для генерации электроэнергии. Проиллюстрированный генератор 100 соответствует типу, используемому для генерации трехфазного 60 Гц переменного тока. Генератор включает в себя узел 102 статора, включающий в себя три отдельные фазные катушки для генерации трех отдельных фаз переменного тока, которые здесь обозначены ⌀А, ⌀В и ⌀C. Проиллюстрированный узел 102 статора является в основном цилиндрическим по форме, имеющим канал, который проходит через узел 102 статора вдоль продольной центральной оси А. Узел 104 ротора помещен в канале узла 102 статора. Узел 104 ротора включает в себя цилиндрический вал 106, вокруг которого размещены электрические проводники, таким образом определяя катушку для генерации магнитного поля вокруг узла 104 ротора.
Узел 104 ротора связан с первичным двигателем (не показан), таким как паровая турбина или газотурбинный двигатель и т.д., который заставляет узел 104 ротора вращаться внутри узла 102 статора. Когда узел 104 ротора вращается внутри узла 102 статора, электрический ток вынуждается протекать в катушке ротора, генерируя вращающееся магнитное поле внутри узла 104 статора. Вращающееся магнитное поле индуцирует напряжение на трех фазных катушках узла 102 статора, вызывая протекание тока в фазных катушках ⌀А, ⌀В и ⌀C.
В проиллюстрированном генераторе 100 первая фазная катушка ⌀А заканчивается на первом конце, который электрически связан с главным соединением 108, и втором конце, который электрически связан с нейтральным соединением 110. Точно так же вторая фазная катушка ⌀В заканчивается на первом конце, который электрически связан с главным соединением 112, и втором конце, который электрически связан с нейтральным соединением 114. Кроме того, третья фазная катушка ⌀C заканчивается на первом конце, который электрически связан с главным соединением 116, и втором конце, который электрически связан с нейтральным соединением 118. Соединения 108, 110, 112, 114, 116 и 118 являются внешними для генератора 100 для подсоединения к нему проводников и могут быть размещены в любом подходящем местоположении.
В соответствии с Фиг.2, согласно одному аспекту настоящего изобретения, трехфазная система 200 генерации мощности переменного тока схематично проиллюстрирована для коммерческого коммунального применения. Как проиллюстрировано, трехфазный генератор AC 202, такой, как описано со ссылкой на Фиг.1, содержит три фазные катушки ⌀А, ⌀В и ⌀C, три основных соединения 204, 206, 208 и три нейтральных соединения 210, 212, 214. Фазная катушка ⌀А имеет первый конец, электрически связанный с главным соединением 204, и второй конец, электрически связанный с нейтральным соединением 210. Точно так же фазная катушка ⌀В имеет первый конец, электрически связанный с главным соединением 206, и второй конец, электрически связанный с нейтральным соединением 212. Фазная катушка ⌀C имеет первый конец, электрически связанный с главным соединением 208, и второй конец, электрически связанный с нейтральным соединением.
Главные соединения 204, 206 и 208 генератора 202 соединены с трансформатором 217 проводниками 218, 220 и 222, соответствующими фазным катушкам ⌀А, ⌀В и ⌀C соответственно. Трансформатор 217 предусмотрен для того, чтобы согласовывать выходные напряжения и токи, формируемые генератором 202, со значениями, подходящими для соединения с передающей и распределительной сетью 216. Проводники 219, 221 и 223 соединяют трансформатор 217 с передающей и распределительной сетью 216. Устройства (не показаны), связанные с передающей и распределительной сетью 216, потребляют электроэнергию, вырабатываемую генератором 202, для множества применений, таких как освещение, нагревание, кондиционирование воздуха и т.п., и составляют нагрузку 224 переменного тока. Нагрузка 224 переменного тока, в дальнейшем нагрузка, соединена с передающей и распределительной сетью 216 проводниками 226, 228 и 230, соответствующими электрическим фазам ⌀А, ⌀В и ⌀C соответственно. Проводники 232, 234 и 236, соответствующие электрическим фазным катушкам ⌀А, ⌀В и ⌀C соответственно соединяют противоположную сторону нагрузки 224 вместе в общей нагрузочной точке 238, определяющей Y-соединенную нагрузку переменного тока. Общая нагрузочная точка 238 соединена с заземлением в точке 240.
SFCL 242 имеет первый набор соединений 244, 246 и 248 и второй набор соединений 250, 252 и 254. Проводник 256 электрически соединяет нейтральное соединение 210 генератора 202 с соединением 244 SFCL 242 и, таким образом, соединяет ⌀А с соединением 244 SFCL 242. Точно так же проводник 258 электрически соединяет нейтральное соединение 212 генератора 202 с соединением 246 SFCL 242 и, таким образом, электрически соединяет ⌀В с соединением 246 SFCL 242. Дополнительно, проводник 260 электрически соединяет нейтральное соединение 214 генератора 202 с соединением 248 SFCL 242 и, таким образом, электрически соединяет ⌀C с соединением 248 SFCL 242.
Кроме того, проводник 262 электрически соединяет соединение 250 SFCL 242 с общей нейтральной точкой 264. Аналогичным образом, проводник 266 электрически соединяет соединение 252 SFCL 242 с общей нейтральной точкой 264, и проводник 268 электрически соединяет соединение 254 SFCL 242 с общей нейтральной точкой 264. Таким способом, генератор 202 подсоединен в известной Y-конфигурации, как это типично для коммунальных систем энергоснабжения.
Общая нейтральная точка 264 может быть связана с устройством 270 заземления первым соединением 272. Например, устройство 270 заземления может содержать устройство низкой мощности, высокого сопротивления, подходящее для соединения общего нейтрального соединения 264 трехфазного генератора AC 202 с заземлением. Устройство 270 заземления имеет второе соединение 274, которое соединено с заземлением в точке 276 проводником 278 заземления. Заземление обозначено в целом ссылочной позицией 280.
Расположение SFCL 242 между нейтральными соединениями 210, 212 и 214 генератора 202 и общей нейтральной точкой 264, которая связана с заземлением 280 устройством 270 заземления, позволяет SFCL работать по существу на потенциале земли во время нормального функционирования системы. Кроме того, SFCL 242 расположен вблизи генератора 202, например, внутри помещения 282 генератора в генераторном оборудовании и может включать в себя отдельные устройства SFCL для каждого из нейтральных проводников 250, 252 и 254 или может быть комбинацией трехфазного устройства.
Во время нормального функционирования системы ток, протекающий через фазную катушку ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора 202, определяется импедансом передающей и распределительной системы 216 и импедансом нагрузки 224, но главным образом импедансом нагрузки 224. Однако аномальное функционирование системы может привести, например, из-за отказа компонентов системы, а также естественным образом возникающих явлений и намеренных или неумышленных действий человека, к непреднамеренному низкому импедансу, испытываемому фазными катушками ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора 202. Эти ситуации, обычно называемые короткими замыканиями или повреждениями, вызывают быстрое нарастание тока в соответствующих катушках ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора, пока не сработает защитное оборудование, чтобы защитить компоненты системы.
Токи короткого замыкания в коммунальных установках генерации электроэнергии могут превысить 100 000 ампер в пределах половины цикла возникновения повреждения. Такие токи могут привести к электрическим и механическим напряжениям в компонентах генератора, намного превышающим параметры проектирования, и могут нанести серьезный ущерб компонентам генератора и другим компонентам в передающей и распределительной сети 216. Например, вращающееся магнитное поле в генераторе 100 вырабатывает электромеханические силы, действующие на электрические проводники в узле 102 статора и узле 104 ротора генератора, как показано на Фиг.1. Поскольку магнитное поле вращается, силы прикладывают вращающиеся крутящие моменты к проводникам, которые действуют, чтобы сместить проводники относительно их предусмотренных положений. Эти крутящие моменты в принципе пропорциональны произведению напряжения и тока генератора. После возникновения повреждения ток генератора увеличивается до значения, во много раз превышающего эксплуатационное значение в отсутствие повреждения, вызывая пропорциональное увеличение крутящих моментов, приложенных к проводникам статора и ротора. Чтобы допускать крутящие моменты, созданные такими токами повреждения, обмотки статора генератора связаны, и роторы усилены с учетом тока короткого замыкания.
EXT
EXT
EXT
Однако путем уменьшения тока короткого замыкания с использованием SFCL 242, согласно различным аспектам настоящего изобретения, крутящий момент, приложенный к валу генератора, должен быть уменьшен на подобную величину. Например, крутящий момент в воздушном зазоре, приложенный к проводнику генератора, являющийся результатом соединения генератора с внешним импедансом X, пропорционален крутящему моменту на выводах, уменьшенному на коэффициент F, где F=X”/(X"+X). Таким образом, силы, приложенные к обмотке 120 конца статора, см. Фиг.1, являющиеся результатом условия повреждения, которые пропорциональны произведению токов повреждения, могли бы быть уменьшены до 25% или менее относительно сил без внешнего импеданса X.
Другое условие, которое приведет к чрезмерно высоким токам генератора, возникает, когда генератор непреднамеренно соединяется при несогласованном по фазе условии с другими генераторами, работающими в сетевой системе передачи и распределения энергии. Коммерческие сети генерации электроэнергии обычно включают в себя множество трехфазных генераторов, работающих параллельно, причем все генераторы синхронизированы с сетью, чтобы ток, генерированный каждым генератором, имел ту же самую частоту и фазовый угол, что и токи, генерируемые другими параллельными генераторами.
Когда генератор AC впервые устанавливается, или существующий генератор возвращается в работу после обслуживания или ремонта, он должен сначала синхронизироваться относительно частоты и фазового угла с другими параллельными генераторами в сети, прежде чем он сможет быть связан с системой. Если генератор AC непреднамеренно соединяется с сетью работающих генераторов при условии отсутствия согласования по фазе, генератор эффективно коротко замыкается другими генераторами, приводя к появлению тока не согласованной по фазе синхронизации, протекающего через фазные катушки ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора, подобно формируемым в условиях повреждения, описанных ранее.
SYS
EXT
SYS
EXT
SYS
EXT
Например, силы, относящиеся к не согласованной по фазе синхронизации, обратно пропорциональны сумме X"+X+X, где X - реактанс системы, включая главный трансформатор, и X - реактанс, относящийся к SFCL 242. Таким образом, силы, приложенные к обмоткам 120 конца статора, являющиеся результатом рассогласования на 180 градусов синхронизации, будут изменяться инверсно, как примерно квадрат суммы реактансов. Например, если реактанс системы X мал и нет никакого внешнего реактанса X, силы могли бы значительно превысить силы, связанные с трехфазным повреждением, происходящим на главных соединениях генератора. Однако путем уменьшения тока короткого замыкания с использованием SFCL 242, согласно различным аспектам настоящего изобретения, силы несогласованной по фазе синхронизации, приложенные к генератору 202, могут быть уменьшены, чтобы находиться в пределах приемлемых параметров, несмотря на условие повреждения.
SFCL 242 может характеризоваться как имеющий два различных режима работы. Когда ток, протекающий через устройство, меньше, чем предопределенный пороговый ток проектирования, SFCL 242 работает в режиме сверхпроводимости, имея относительно низкий, например, почти нулевой импеданс. В этом режиме SFCL 242 добавляет по существу нулевой импеданс к цепи, проиллюстрированной на Фиг.2, приводя к несущественному падению напряжения и соответствующим потерям мощности, и является эффективно прозрачным для функционирования системы генерации электроэнергии.
После возникновения повреждения или другой ситуации, приводящей к току через SFCL 242, который превышает предопределенный пороговый ток проектирования SFCL 242, устройство прекращает сверхпроводимость и переключается на режим высокого импеданса, эффективно вводящий предопределенный импеданс между соответствующими фазными катушками ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора и общей нейтральной точкой 264. Таким образом, ток в соответствующих фазных катушках ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора ограничивается предопределенным максимальным током, определенным импедансом проектирования SFCL 242, при работе в режиме высокого импеданса.
Согласно аспектам настоящего изобретения, пороговый ток проектирования, который вызывает переход SFCL из режима сверхпроводимости к режиму высокого импеданса, может быть определен на основе максимального тока, на который фазные катушки ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора спроектированы для постоянного переноса.
В примерной конфигурации SFCL 242 спроектирован таким образом, чтобы пороговый ток проектирования, который заставляет SFCL 242 прекращать сверхпроводимость и переключаться на режим высокого импеданса, составлял приблизительно 150 процентов от проектируемого максимального рабочего АС тока генератора 202 при нормальных условиях нагрузки. Однако другие приемлемые пороговые значения тока также могут быть определены.
Как ранее описано, крутящие моменты, приложенные к проводникам в узле 102 статора и узле 104 ротора, см. Фиг.1, пропорциональны токам, текущим в фазных катушках ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора. Ограничивая токи, текущие в фазных катушках ⌀А, ⌀В и ⌀C генератора, SFCL 242 ограничивает крутящие моменты, приложенные к проводникам в узле 102 статора и узле 104 ротора пропорциональным образом. Таким способом крутящий момент, приложенный к валу 106 ротора первичным двигателем (не показан), ограничен предопределенным максимальным крутящим моментом.
Согласно другим аспектам настоящего изобретения, пороговый ток проектирования, который вызывает переход SFCL от режима сверхпроводимости к режиму высокого импеданса, может быть определен на основе максимального крутящего момента, который предназначен в качестве допустимого для вала 106 ротора. Путем ограничения крутящего момента, приложенного к валу 106 ротора генератора, генератор может быть защищен от дорогостоящего ремонта и соответствующего времени простоя, которое могло бы в противном случае иметь место, если условие повреждения или непреднамеренное, не согласованное по фазе соединение приводят к повреждению вала 106 ротора.
Подобным образом пороговый ток проектирования, который вызывает переход SFCL от режима сверхпроводимости к режиму высокого импеданса, может быть определен на основе максимального крутящего момента, который может быть приложен к обмоткам 120 конца статора. Путем ограничения крутящего момента, приложенного к обмоткам 120 конца статора, генератор может быть защищен от дорогостоящего ремонта и соответствующего времени простоя, которое могло бы в противном случае иметь место, если условие повреждения или непреднамеренное не согласованное по фазе соединение приводят к повреждению обмоток 120 конца статора.
Дополнительно, пороговый ток проектирования, который вызывает переход SFCL из режима сверхпроводимости в режим высокого импеданса, может быть определен на основе максимального крутящего момента, который может быть приложен к проводникам ротора 122 в узле 104 ротора. Путем ограничения крутящего момента, который может быть приложен к проводникам 122 ротора, генератор может быть защищен от дорогостоящих ремонтов и соответствующего времени простоя, которое могло бы в противном случае иметь место, если условие повреждения или непреднамеренное, не согласованное по фазе соединение приводят к повреждению узла 104 ротора.
Далее, проектирование генераторов для новых применений может принимать во внимание уменьшенный максимальный крутящий момент, приложенный к валу 106 ротора, и уменьшенный максимальный крутящий момент, приложенный к обмоткам 120 конца статора и проводникам 122 ротора, которые следуют из различных аспектов настоящего изобретения. Этим способом можно проектировать и изготавливать генераторы для новых применений при сниженных затратах и улучшенной надежности, меньшем физическом размере и т.д. Например, можно уменьшить стоимость и/или физический размер структур, традиционно используемых для закрепления обмоток 120 конца статора генератора, усиливать узел 104 ротора с учетом короткого замыкания и устанавливать узел 102 статора в конструкции генератора на основе уменьшенных максимальных крутящих моментов, приложенных к обмоткам 120 конца статора и валу 106 ротора.
Как описано выше, включение SFCL 242 вблизи генератора 202 ограничивает ток, протекающий в генераторе 202, до предопределенного максимального тока. Ограничивая ток предопределенным максимальным током с помощью SFCL 242, можно заменить обычные устройства, такие как выключатели и другие устройства, прерывания тока (не показаны) между генератором 202 и трансформатором 217, более простым и экономичным устройством, например, предусматривая выключатель разъединения (не показан). Таким способом можно сократить техническое обслуживание системы, потому что SCFL 242 возвращается в режим сверхпроводимости из его режима высокого импеданса без вмешательства человека, как только ток спадет ниже порогового тока проектирования, тогда как типовое традиционное устройство, такое как прерыватель цепи, должно вручную устанавливаться в исходное состояние.
На Фиг.3 схематично показана трехфазная система генерации AC в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, обозначенная в целом ссылочной позицией 300. В проиллюстрированной системе SFCL 242 перемещен от нейтральной стороны генератора 202 к нагрузочной стороне генератора 202. Описание Фиг.3 подобно представленному выше со ссылкой на Фиг.2, за исключением того, что описано ниже.
Как проиллюстрировано на Фиг.3, главные соединения 204, 206 и 208 трехфазного генератора AC 202 связаны с первыми соединениями 244, 246 и 248 SFCL проводниками 218, 220 и 222 соответственно. Более конкретно, проводник 218 электрически соединяет главное соединение 208 генератора 202 с первым соединением 244 SFCL, таким образом соединяя фазную катушку ⌀А генератора с первым соединением 244 SFCL. Аналогичным образом, проводник 220 электрически соединяет главное соединение 206 генератора 202 с первым соединением 246 SFCL, таким образом соединяя фазную катушку ⌀В генератора с первым соединением 246 SFCL. Дополнительно, проводник 222 электрически соединяет главное соединение 208 генератора 202 с первым соединением 248 SFCL, таким образом соединяя фазную катушку ⌀С генератора с первым соединением 248 SFCL.
Вторые соединения 250, 252 и 254 SFCL связаны с трансформатором 217 проводниками 262, 266 и 268 соответственно. Нейтральные соединения 210, 212 и 214 генератора 202 соединены вместе в общей нейтральной точке 264 проводниками 256, 258 и 260 соответственно, определяя известное Y-соединение, как изложено более подробно ниже. Как описано выше, включение SFCL 242 вблизи генератора 202, например, внутри помещения 282 генератора в оборудование генерации электроэнергии, ограничивает ток, текущий в генераторе 202, до предопределенного максимального тока. За счет ограничения тока предопределенным максимальным током с помощью SFCL 242, в соответствии с настоящим изобретением, можно заменить выключатель или другое обычное(ые) устройство(а) прерывания (не показано) между генератором 202 и трансформатором 217 более простым и менее дорогостоящим выключателем разъединения (не показан). Кроме того, как отмечено выше, SFCL 242 может содержать отдельные устройства SFCL для каждого из главных проводников 218, 228 и 222 или может быть комбинацией трехфазных устройств.
На Фиг.4 схематично показана однофазная система АС генерации, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, обозначенная в целом ссылочной позицией 400. Как проиллюстрировано, только одна фаза показана для ясности обсуждения. Однако, практически, система 400 может быть расширена, чтобы включать в себя любое количество фаз, как будет описано более детально.
Однофазный АС генератор 402 содержит фазную катушку ⌀, главное соединение 404 и нейтральное соединение 406. Главное соединение 404 генератора соединено с передающей и распределительной сетью 408 проводником 410. Устройства (не показаны), соединенные с передающей и распределительной сетью 408, потребляют электроэнергию, поставляемую генератором 402, для различных применений, таких как освещение, нагревание, кондиционирование воздуха и т.п., и образует нагрузку 412 переменного тока. Передающая и распределительная сеть 408 соединена с нагрузкой 412 переменного тока, в дальнейшем, нагрузкой, проводником 414. Проводник 416 соединяет противоположную сторону нагрузки 412 с заземлением в точке 418. Заземление в целом обозначено ссылочной позицией 420.
Трансформатор 422 предусмотрен для сопряжения SFCL 424 с нейтральным соединением 406 генератора 402. Трансформатор 422 может быть использован, например, чтобы согласовывать требования по напряжению/току SFCL 424 с возможностями по напряжению/току генератора 402. Также, конкретное отношение первичной и вторичной обмоток трансформатора 402 должно определяться конкретной реализацией системы 400, включая конкретные возможности генератора 402 и SFCL 424.
Как проиллюстрировано, трансформатор 422 предназначен для связи SFCL 424 с нейтральным соединением, чтобы уменьшить ток, протекающий в SFCL 424, и позволить использовать SFCL, спроектированный для протекания в нем более низкого тока, чем ток, протекающий в фазной катушке ⌀ генератора 402.
Трансформатор 422 имеет первичную обмотку 426, имеющую первое соединение 428 и второе соединение 430. Первое соединение 428 первичной обмотки 426 соединено с нейтральным соединением 406 генератора 402 проводником 432. Второе соединение 430 первичной обмотки 426 связано с заземлением 420 в точке 434 проводником 436. Во время нормального функционирования системы 400 ток, протекающий через фазную катушку ⌀ генератора 402, определен импедансом передающей и распределительной сети 408 и импедансом нагрузки 412, но главным образом импедансом нагрузки 412. Однако некорректное функционирование системы может произойти, например, из-за отказа компонентов системы, а также естественным образом возникающих явлений и намеренных или неумышленных действий человека, что может привести к неумышленному низкому импедансу, воспринимаемому фазной катушкой ⌀ генератора 402. Эти ситуации, обычно называемые короткими замыканиями или повреждениями, вызывают быстрое нарастание тока, протекающего в фазной катушке ⌀ генератора 402, до тех пор, пока не сработает защитное оборудование, чтобы защитить компоненты системы.
Трансформатор 422 также имеет вторичную обмотку 438, имеющую первое соединение 440 и второе соединение 442. Вторичная обмотка 438 первого соединения 440 связана с первым соединением 444 SFCL 424 посредством проводника 446. Второе соединение 448 SFCL 424 соединено со вторичной обмоткой 438 трансформатора 422 посредством проводника 450. Проводник 452 может дополнительно соединять проводник 450 в точке, такой как точка 454, с заземлением 420 в точке 456.
Вторичная обмотка 438 трансформатора 422 магнитным образом связана с первичной обмоткой 426 трансформатора 422. Таким образом, когда переменный ток, выработанный фазной катушкой ⌀ генератора 402, протекает в первичной обмотке 426, как описано выше, соответствующий ток индуцируется для протекания во вторичной обмотке 438. Этот ток также протекает в SFCL 424, соединенном последовательно со вторичной обмоткой 438 трансформатора 422.
SFCL 424 может быть охарактеризован как имеющий два отличающихся режима работы. Когда ток, протекающий через устройство, меньше, чем предопределенный пороговый ток проектирования, SFCL 424 работает в режиме сверхпроводимости, имеющем почти нулевой импеданс. В этом режиме SFCL 424 содержит низкий импеданс, например, по существу, нулевой импеданс, последовательно со вторичной обмоткой 438 трансформатора 422, и подобный, эффективно нулевой импеданс отражается на первичную обмотку 426 трансформатора 422. Таким образом, первичная обмотка 426 трансформатора 422 добавляет незначительный импеданс к цепи, включающей в себя фазную катушку ⌀ генератора 402, передающую и распределительную сеть 408, нагрузку 412, заземление 420 и первичную обмотку 426 трансформатора 422, когда SFCL 424 работает в режиме сверхпроводимости. Второй режим представляет собой режим высокого импеданса, как будет описано более детально ниже.
После возникновения повреждения ток, текущий через фазную катушку ⌀ генератора 402 и первичную обмотку 426 трансформатора 422, быстро возрастает, вызывая пропорциональное увеличение тока, протекающего через вторичную обмотку 438 трансформатора 422 и SFCL 424. Трансформатор 422 спроектирован так, что переменный ток, индуцированный для протекания через вторичную обмотку 438 трансформатора 422, будет возрастать до значения, примерно равного предопределенному пороговому току проектирования SFCL 424, когда ток, протекающий в первичной обмотке 426 трансформатора 422 и фазной катушке ⌀ генератора 402, увеличивается до предопределенного максимального тока генератора.
Когда ток, протекающий через вторичную обмотку 438 трансформатора 422 и SFCL 424, превышает предопределенный пороговый ток проектирования SFCL 424, SFCL 424 прекращает сверхпроводимость и переключается на режим высокого импеданса, эффективно вводящий известный импеданс последовательно со вторичной обмоткой 438 трансформатора 422, приводя к уменьшению тока, протекающего во вторичной обмотке 438 трансформатора 422. Увеличенный импеданс, воспринимаемый вторичной обмоткой 438 трансформатора 422, отражается на первичную обмотку 426 трансформатора 422, эффективно вводя известный импеданс последовательно с фазной катушкой ⌀ генератора 402, передающей и распределительной сетью 408, нагрузкой 412 и заземлением 420. Таким образом, ток в фазной катушке ⌀ генератора 402 ограничен предопределенным максимальным током, определенным импедансом проектирования SFCL 424, при работе в режиме высокого импеданса, как отражается на первичную обмотку 426 трансформатора 422.
В примерной системе 400 генерации SFCL 424 спроектирован таким образом, чтобы пороговый ток проектирования, который вызывает прекращение сверхпроводимости SFCL 424 и переключение в режим высокого импеданса, был током, который соответствует приблизительно 150 процентам проектируемого максимального рабочего АС тока генератора 402 при нормальных условиях нагрузки, но другие целесообразные значения порогового тока также могут быть определены.
Как описано выше, крутящие моменты, приложенные к проводникам в пределах узлов статора и ротора генератора 402, пропорциональны току, протекающему в фазной катушке ⌀ генератора 402. Путем ограничения тока, протекающего в фазной катушке ⌀ генератора 402, с использованием SFCL 424, согласно различным аспектам настоящего изобретения, крутящие моменты, приложенные к проводникам в узле статора и узле ротора генератора 402, ограничиваются пропорционально. Этим способом крутящий момент, приложенный к валу ротора генератора 402, может быть ограничен предопределенным максимальным крутящим моментом.
Как описано выше, включение SFCL 424 вблизи генератора 402, например, в пределах или рядом с генераторным оборудованием 458, в соответствии с системой, проиллюстрированной на Фиг.4, ограничивает ток, протекающий в фазной катушкой ⌀ генератора 402, предопределенным максимальным током. Путем ограничения тока предопределенным максимальным током можно заменить выключатель или другое обычное устройство прерывания тока (не показано) между генератором 402 и передающей и распределительной сетью 408 относительно простым и экономичным разъединяющим выключателем (не показан).
Хотя проиллюстрированная система 400 генерации включает в себя однофазный генератор АС 402, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что принципы и концепции настоящего изобретения равным образом применимы к системам генерации, имеющим более одной фазы. Например, генератор 402 может включать в себя многофазный генератор, передающая и распределительная сеть 408 может содержать многофазную передающую и распределительную сеть, нагрузка 412 может содержать многофазную нагрузку, трансформатор 422 может содержать многофазный трансформатор, и SFCL 424 может содержать многофазный SFCL или множество отдельных устройств SFCL, соответствующих множеству фаз многофазного трансформатора, без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения.
Хотя проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области техники будет очевидным, что различные другие изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема изобретения. Поэтому оно предназначено, чтобы охватывать в приложенных пунктах формулы изобретения все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения.