用于限制交流发电机中的电流的方法和系统 【技术领域】
本发明涉及一种用于限制发电系统中的电流的方法和系统，并且更特别地，涉及一种将超导故障限流器与交流发电机连接来限制发电机中的电流的方法。
背景技术
公知的是，在发生故障情况时，超导故障限流器能够限制电流，同时在正常工作期间将实质上为零的阻抗引入电路中。这些装置通常以非常低的阻抗工作，并且在阈值电流下对于电路是透明的。在发生故障情况时，电流快速增加到引起超导线停止超导的阈值电流之上，从而强制电流通过较高阻抗并行路径，由此将故障电流限制到预定值。
利用液氮而非更昂贵且难以处理的液体氦可冷却的所谓的高温超导线的发现已经导致对相对便宜的高温超导故障限流器的研发。由于对在正常工作期间的网络没有不期望的影响，所以使用这些装置来限制公用事业电力输配电网中的故障电流很有吸引力。
【发明内容】
根据本发明的第一方面，提供了一种限制发电系统中的电流的方法。该方法可包括：将交流发电机连接在交流负载与接地导线之间；将超导故障限流器连接在交流发电机与交流负载或接地导线之一之间，其中超导故障限流器可被定位成接近交流发电机；并且将超导故障限流器配置来将交流发电机中的电流限制到预定最大电流。
根据本发明的第二方面，提供了一种限制发电系统中的电流的系统。该系统包括交流发电机、超导故障限流器和电路。超导故障限流器可被定位成接近交流发电机并且可在交流发电机与交流负载或接地导线之一之间，并且超导故障限流器可被配置来将交流发电机中的电流限制到预定的最大电流。
【附图说明】
虽然说明书以特别指出和清楚地请求保护本发明的权利要求书来结束，但是相信，根据以下结合附图的描述将更好地理解本发明，其中相似的参考数字标识相似的要素，并且其中：
图1是用于发电站的三相交流发电机的侧视图，其以截面示出了线路连接、负载连接以及定子组件和转子组件；
图2是示出与三相交流发电机的中性线串联连接的三相超导故障限流器的本发明的方面的示意性表示；
图3是示出与三相交流发电机和三相交流负载串联连接的三相超导故障限流器的本发明的另一方面的示意性表示，该三相交流负载位于该发电机的主导线(main conductor)与连接到三相输配电网的三相变压器之间；以及
图4是示出通过变压器连接到单相交流发电机的单相超导故障限流器的本发明的另一方面的示意性表示。
【具体实施方式】
在以下对优选实施例的详细描述中，参考形成说明书的部分的附图，并且其中说明性而非限制性地示出可实施本发明的特定的优选实施例。要理解的是，可利用其它实施例且可在不偏离本发明的精神和范围的情况下作出改变。
根据本发明的方面，通过将以下称为SFCL的超导故障限流器与形成在发电机与中性点接线之间或者在发电机与相对应的负载之间的电路串联连接，以下称为AC发电机的交流发电机中的电流可被限制到预定最大值。在正常的系统工作期间，SFCL工作在超导模式下，并且例如由于SFCL在超导模式下时的近零阻抗以及最后得到的无实质的电压降以及相对应的功率损耗，SFCL对于电力分配基本上是透明的。在发生导致超出先前确定的设计阈值的流过SFCL的电流的故障或者其它情况时，SFCL停止超导，从而强制电流通过较高阻抗，由此将AC发电机中的电流限制到已知的最大值。
根据本发明的方面，SFCL可位于相对应的AC发电机的发电设施处或位于该发电设施周围，并且因此接近于AC发电机。以这种方式，可保护AC发电机免受由电流过载产生的电损害和/或物理损害，诸如由故障情况、疏忽造成的异相同步等产生的电损害和/或物理损害。例如，SFCL可被连接到AC发电机的在AC发电机与提供了接地路径的相关联的中性点接线之间的中性线。在另一示例性装置中，SFCL可被连接到AC发电机的在AC发电机与连接到输电线路的变压器之间的主导线，该输电线路将功率从AC发电站传送到相对应的负载。
现在参考附图并且特别是参考图1，示出了用在电力发电设施中的示例性交流发电机100。所图示的发电机100是用于产生60赫兹三相交流电类型的发电机。该发电机包括定子组件102，该定子组件102包括用于产生交流电的三个分离的相位的三个分离的相位线圈，在此将其标明为ΦA、ΦB和ΦC。所图示的定子组件102的形状通常为圆柱体，其具有沿着纵向中心轴线A1穿过定子组件102的通道。转子组件104被定位在定子组件102的通道内。转子组件104包括圆柱形轴106，在该圆柱形轴106周围布置电导线，由此限定用于在转子组件104周围产生磁场的线圈。
转子组件104被耦合到原动机(未示出)、诸如汽轮机或者燃气轮机等，该原动机引起转子组件104在定子组件102之内旋转。当转子组件104在定子组件102之内旋转时，引起电流在转子线圈中流动，从而在定子组件104之内产生旋转磁场。该旋转磁场在定子组件102的三相线圈两端感应电压，从而引起电流在相位线圈ΦA、ΦB和ΦC中流动。
在所图示的发电机100中，第一相位线圈ΦA在电耦合到主接线108的第一端和电耦合到中性点接线110的第二端终止。类似地，第二相位线圈ΦB在电耦合到主接线112的第一端和电耦合到中性点接线114的第二端终止。更进一步地，第三相位线圈ΦC在电耦合到主接线116的第一端和电耦合到中性点接线118的第二端终止。接线108、110、112、114、116和118在发电机100的外部被设置用于将导线连接至其，并且可被定位在任何适当位置。
现在参考图2，根据本发明的方面，示意性图示商用三相交流发电系统200。如所图示的那样，三相AC发电机202(诸如参考图1所描述的那样)包括三个相位线圈ΦA、ΦB和ΦC、三个主接线204、206、208和三个中性点接线210、212、214。相位线圈ΦA具有电耦合到主接线204的第一端和电耦合到中性点接线210的第二端。类似地，相位线圈ΦB具有电耦合到主接线206的第一端和电耦合到中性点接线212的第二端。相位线圈ΦC具有电耦合到主接线208的第一端和电耦合到中性点接线214的第二端。
发电机202主接线204、206和208通过分别与相位线圈ΦA、ΦB和ΦC相对应的导线218、220和222被连接到变压器217。变压器217被设置来以便将发电机202产生的电压和电流输出调整成适合于连接到输配电网216的值。导线219、221和223将变压器217连接到输配电网216。连接到输配电网216的装置(未示出)对于诸如照明、加热、空气调节等的多种用途消耗发电机202所供给的电力，并构成交流负载224。以下称为负载的交流负载224通过分别与电相位ΦA、ΦB和ΦC相对应的导线226、228和230连接到输配电网216。分别与电相位线圈ΦA、ΦB和ΦC相对应的导线232、234和236在限定星形连接的交流负载的共用负载点238处将负载224的对侧连接在一起。该共用负载点238在点240处接地。
SFCL 242具有第一组接线244、246和248和第二组接线250、252和254。导线256将发电机202的中性点接线210电连接到SFCL 242的接线244，并且由此将ΦA连接到SFCL 242的接线244。类似地，导线258将发电机202的中性点接线212电连接到SFCL242的接线246，并且由此将ΦB电连接到SFCL242的接线246。另外，导线260将发电机202的中性点接线214电连接到SFCL 242的接线248，并且由此将ΦC电连接到SFCL 242的接线248。
此外，导线262将SFCL 242的接线250电连接到共用中性点264。类似地，导线266将SFCL242的接线252电连接到共用中性点264，并且导线268将SFCL242的接线254电连接到共用中性点264。以这种方式，发电机202被连接成如公用事业发电系统所特有的常见的星形布置。
共用中性点264可在第一接线272处被连接到接地装置270。例如，接地装置270可包括适合于将三相AC发电机202的共用中性点接线264接地的低功率、高电阻装置。该接地装置270具有第二接线274，该第二接线274在点276处通过接地导线278接地。通常用参考数字280表示地。
将SFCL 242定位在发电机202中性点接线210、212和214与通过接地装置270连接至地280的共用中性点264之间允许SFCL在系统正常工作期间基本上在地电势工作。此外，SFCL 242被定位成接近发电机202，例如被定位在发电设施处的发电机室282之内，并且SFCL 242可包括针对每个中性线250、252和254的各个SFCL装置或者可是组合三相装置。
在该系统正常工作期间，流过发电机202的相位线圈ΦA、ΦB和ΦC的电流通过输配电系统216的阻抗以及负载224的阻抗来确定，但是主要由负载224的阻抗来确定。然而，例如由于系统部件的故障以及自然发生的现象和有意的或无意的人类活动，可造成系统的异常工作，这可引起通过发电机202的相位线圈ΦA、ΦB和ΦC看来的非计划中的低阻抗。通常称作短路或故障的这些情形引起电流在受影响的发电机线圈ΦA、ΦB和ΦC中快速升高，直到保护设备工作来保护系统部件。
公用事业电力发电机中的发电机短路电流在发生故障的二分之一周期之内能够超出100000安培。这种电流可导致在发电机部件上的电和机械应力完全超出设计参数，并且可引起对发电机部件和对输配电网216之内的其它部件的严重损害。例如，在发电机100之内的旋转磁场产生对发电机定子组件102和转子组件104中的电导线起作用的机电力，参见图1。当磁场旋转时，这些力将作用来使导线从其预定位置移位的旋转扭矩施加到导线。这些扭矩通常与发电机电压和电流的乘积成比例。在发生故障时，发电机电流增加到为工作时的非故障值的很多倍的值，从而引起施加到定子和转子导线的扭矩按比例增加。为了容许由这种故障电流产生的扭矩，发电机定子绕组被支撑，并且针对短路运行加固转子。
但是，通过根据本发明的各方面的使用SFCL 242来降低短路电流，施加到发电机轴的扭矩会被降低相似数量。例如，由连接到外部阻抗X
EXT的发电机产生的施加到发电机导线的气隙扭矩与终端处的被降低因子F的扭矩成比例，其中F＝X″/(X″+X
EXT)。因此，参见图1，由故障情况产生的施加到定子端部绕组120的力与故障电流乘积成比例，这些力可被降低到没有外部阻抗X
EXT的力的25％或更少。
当发电机在异相情况下因疏忽所致地与在联网的电力输配电系统中工作的其它发电机连接时，发生将导致过高发电机电流的另一种情况。商用发电网络通常包括并联工作的多个三相发电机，其中所有发电机都与该网络同步来使得每个发电机产生的电流的频率和相角与其它并行发电机产生的电流的频率和相角相同。
当首次安装AC发电机或者现有发电机在维护或修理之后重新使用时，该AC发电机必须在其可被连接到系统之前首先与网络上的其它并行发电机相对于频率和相角被同步。当AC发电机在异相情况下因疏忽所致地被连接到工作中的发电机的网络时，该发电机通过其它发电机被有效短路，从而导致异相同步电流与前述故障情况所产生的电流类似地流过发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC。
例如，可归因于异相同步的力与X″+X
SYS+X
EXT的总和成反比，其中X
SYS是系统电抗，其包括主变压器，而X
EXT是可归因于SFCL 242的电抗。因此，由180度异相同步产生的施加到定子端部绕组120的力会在电抗总和的平方周围相反地变化。例如，如果系统电抗X
SYS小且没有外部电抗X
EXT，则力可明显超出与在发电机的主接线发生的三相故障相关联的那些力。但是，通过根据本发明的各方面的使用SFCL 242来降低短路电流，尽管有故障情况，施加到发电机202的异相同步力都可被降低来落入可接受的参数之内。
SFCL 242的特征在于具有两个不同的工作模式。当流过装置的电流低于预定设计阈值电流时，SFCL 242在具有相对低的(例如接近零的)阻抗的超导模式下工作。在这种模式下，SFCL 242将实质上为零的阻抗添加到图2中所图示的电路，从而导致无实质的电压降和相对应的功率损耗，并且SFCL 242对于发电系统的工作是有效透明的。
在发生导致超过SFCL 242的预定设计阈值电流的流过SFCL 242的电流的故障或其它情况时，装置停止超导并切换到将预定阻抗有效插入到受影响的发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC与共用中性点264之间的高阻抗模式。以这种方式，当在高阻抗模式下工作时，受影响的发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC中的电流被限制到由SFCL 242的设计阻抗所限定的预定最大电流。
根据本发明的方面，基于发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC被设计来持续传送的最大电流，可确定引起SFCL从超导模式转变到高阻抗模式的设计阈值电流。
在示例性配置中，SFCL 242被设计来使得引起SFCL 242停止超导并且切换到高阻抗模式的设计阈值电流是发电机202在正常加载情况下的所计划的最大工作AC电流的大约百分之150。但是，可指定其它合理的阈值电流值。
如先前所描述的那样，参见图1，施加到定子组件102和转子组件104之内的导线的扭矩与在发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC中流动的电流成比例。通过限制在发电机相位线圈ΦA、ΦB和ΦC中流动的电流，SFCL 242按比例地限制施加到定子组件102和转子组件104之内的导线的扭矩。以这种方式，通过原动机(未示出)施加到转子轴106的扭矩被限制到预定最大扭矩。
根据本发明的其它方面，基于转子轴106被设计来容许的最大扭矩，可确定引起SFCL从超导模式转变到高阻抗模式的设计阈值电流。通过限制施加到发电机转子轴106的扭矩，可保护发电机免受如果故障情况或者因疏忽所致的异相连接损害转子轴106则另外可能造成的昂贵的修理和相对应的非服务时间。
以相似的方式，基于可施加到定子端部绕组120的最大扭矩，可确定引起SFCL从超导模式转变到高阻抗模式的设计阈值电流。通过限制施加到定子端部绕组120的扭矩，可保护发电机免受如果故障情况或者因疏忽所致的异相连接损害定子端部绕组120则另外可能造成的昂贵的修理和相对应的非服务时间。
另外，基于可被施加到转子组件104之内的转子导线122的最大扭矩，可确定引起SFCL从超导模式转变到高阻抗模式的设计阈值电流。通过限制可施加到转子导线122的扭矩，可保护发电机免受如果故障情况或者因疏忽所致的异相连接损害转子组件104则另外可能造成的昂贵的修理和相对应的非服务时间。
再进一步，用于新应用的发电机的设计考虑到施加到转子轴106的降低的最大扭矩和施加到定子端部绕组120和转子导线122的降低的最大扭矩，这些降低的最大扭矩由本发明的各方面产生的。以这种方式，可能以降低的成本设计和制造用于新应用的发电机，并且这些发电机具有提高的可靠性、较小的物理尺寸等。例如，可能降低成本、和/或按照惯例用于支撑发电机定子端部绕组120的结构的物理尺寸，以针对短路运行加固转子组件104和基于施加到定子端部绕组120和转子轴106的降低的最大扭矩在发电机机座内装配定子组件102。
如先前所描述的那样，包括接近于发电机202的SFCL 242将在发电机202中流动的电流限制到预定最大电流。通过利用SFCL 242将电流限制到预定最大电流，可能以更简单的且更便宜的装置(诸如通过提供断路开关(未示出))来替换常规装置、诸如在发电机202与变压器217之间的断路器和其它电流中断装置(未示出)。以这种方式，因为一旦电流降低到设计阈值电流以下，同时必须手动复位通常的常规装置(诸如断路器)，在没有人为干预的情况下，SCFL 242就将从其高阻抗模式返回超导模式，所以可降低系统维护。
现在参考图3，示意性示出一般通过参考数字300来表示的根据本发明的另一方面的三相AC发电系统。在所图示的系统中，SFCL 242已经从发电机202的中性点侧被重定位到发电机202的负载侧。除了如以下所陈述的内容之外，关于图3的描述与先前相对于图2描述的内容类似。
如图3中所图示的那样，三相AC发电机202主接线204、206和208分别通过导线218、220和222被连接到SFCL第一接线244、246和248。特别地，导线218将发电机202主接线208电连接到SFCL第一接线244，由此将发电机202相位线圈ΦA连接到SFCL第一接线244。类似地，导线220将发电机202主接线206电连接到SFCL第一接线246，由此将发电机相位线圈ΦB连接到SFCL第一接线246。另外，导线222将发电机202主接线208电连接到SFCL第一接线248，由此将发电机相位线圈ΦC连接到SFCL第一接线248。
SFCL第二接线250、252和254分别通过导线262、266和268被连接到变压器217。发电机202中性点接线210、212和214分别通过导线256、258和260在中性共用点264被连接在一起，从而限定如在此更详细陈述那样的常见的星形连接。
如先前所描述的那样，包括接近于例如在发电设施处的发电机室282之内的发电机202的SFCL 242将在发电机202中流动的电流限制到预定最大电流。通过根据本发明的利用SFCL 242将电流限制到预定最大电流，可能以更简单的且更便宜的断路开关(未示出)来替换发电机202与变压器217之间的断路器或(多个)其它常规电流中断装置(未示出)。此外，如上所述，SFCL 242可包括针对主导线218、228和222中的每个的各个SFCL装置或者可以是组合三相装置。
现在参考图4，示意性示出一般由参考数字400表示的根据本发明的另一方面的单相AC发电系统。如所图示的那样，为了清楚地讨论仅示出了单相。然而，在实践中，系统400可被扩充到包含任意数目的相位，如在此将更详细地描述的那样。
单相AC发电机402包括相位线圈Φ、主接线404和中性点接线406。发电机主接线404通过导线410被连接到输配电网408。连接到输配电网408的装置(未示出)对于诸如照明、加热、空气调节等的各种用途消耗发电机402所供给的电力，并且构成交流负载412。输配电网408通过导线414被连接到交流负载412(以下称作负载)。导线416在点418处将负载412的对侧接地。地一般通过参考数字420表示。
变压器422被设置来将SFCL 424与发电机402中性点接线406连接。可利用变压器422例如以将SFCL 424的电压/电流需求匹配到发电机402的电压/电流能力。因而，变压器402的初级和次级绕组的特定比率将通过包括特定能力的发电机402和SFCL 424的系统400的特定实施方案来确定。
如所图示的那样，变压器422被设置来将SFCL 424耦合到发电机402的中性点接线，以便降低在SFCL 424中流动的电流和允许使用被设计来传导比在发电机402相位线圈Φ中流动的电流更低的电流的SFCL。
变压器422具有带有第一接线428和第二接线430的初级绕组426。初级绕组426的第一接线428通过导线432被连接到发电机402的中性点接线406。初级绕组426的第二接线430通过导线436在点434处被连接到地420。在系统400正常工作期间，流过发电机402的相位线圈Φ的电流通过输配电网408的阻抗和负载412的阻抗确定，但是主要通过负载412的阻抗确定。但是，例如由于系统部件故障以及自然发生的现象和有意的或无意的人为活动，可造成系统的异常工作，这会导致通过发电机402的相位线圈Φ看来的非计划中的低阻抗。通常称作短路或故障的这些情况引起在发电机402相位线圈Φ中流动的电流快速增长，直到保护设备工作来保护系统部件。
变压器422也具有带有第一接线440和第二接线442的次级绕组438。次级绕组438第一接线440通过导线446被连接到SFCL 424的第一接线444。SFCL424的第二接线448通过导线450被连接到变压器422次级绕组438第二接线442。导线452可选地将在诸如点454的点处的导线450连接到点456处的地420。
变压器422次级绕组438被磁性耦合到变压器422初级绕组426。由此，由于如先前所描述的发电机402相位线圈Φ产生的交流电流在初级绕组426中流动，所以感应相对应的电流，以在次级线圈438中流动。该电流也在与变压器422次级绕组438串联连接的SFCL 424中流动。
SFCL 424的特征在于具有两种不同的工作模式。当流过装置的电流低于预定设计阈值电流时，SFCL 424在具有近零阻抗的超导模式下工作。在这种模式下，SFCL 424包括与变压器422次级绕组438串联的低阻抗(例如实质上为零的阻抗)，并且类似的实际上为零的阻抗被反映到变压器422初级绕组426。由此，当SFCL 424在超导模式下工作时，变压器422初级绕组426将微小的阻抗添加到包括发电机402相位线圈Φ、输配电网408、负载412、地420和变压器422初级绕组426的电路。第二模式是如下面将更详细描述的高阻抗模式。
在发生故障时，流过发电机402的相位线圈Φ和变压器422的初级绕组426的电流快速增加，从而引起流过变压器422次级绕组438和SFCL 424的电流按比例增加。当在变压器422的初级绕组426和发电机402的相位线圈Φ中流动的电流增加到预定的最大发电机电流时，变压器422被设计成使得被感应来在变压器422的次级绕组438中流动的交流电流将增加到大约等于SFCL 424的预定的设计阈值电流的值。
当流过变压器422的次级绕组438和SFCL 424的电流超过SFCL 424的预定的设计阈值电流时，SFCL 424停止超导并且切换至其高阻抗模式，该高阻抗模式有效插入与变压器422的次级绕组438串联的已知阻抗，从而导致在变压器422的次级绕组438中流动的降低的电流。通过变压器422的次级绕组438看来的增加的阻抗被反映到变压器422的初级绕组426，从而有效插入与发电机402的相位线圈Φ、输配电网408、负载412和地420串联的已知阻抗。以这种方式，当在高阻抗模式下工作时，如反映到变压器422初级绕组426那样，发电机402的相位线圈Φ中的电流被限制到通过SFCL 424的设计阻抗限定的预定最大电流。
在示例性发电系统400中，SFCL 424被设计成使得引起SFCL 424停止超导并切换成高阻抗模式的设计阈值电流为对应于发电机402在正常加载情况下的所计划的最大工作AC电流的大约百分之150的电流，但是可指定其它合理的阈值电流值。
如先前所描述的那样，施加到发电机402的定子和转子组件之内的导线的扭矩与在发电机402相位线圈Φ中流动的电流成比例。通过根据本发明的各方面的使用SFCL 402来限制在发电机402相位线圈Φ中流动的电流，按比例地限制施加到发电机402的定子组件和转子组件之内的导线的扭矩。以这种方式，施加到发电机402的转子轴的扭矩可被限制到预定最大扭矩。
如先前所描述的那样，根据图4中所图示的系统，包括接近于例如在发电机设施458之内或周围的发电机402的SFCL 424将在发电机402相位线圈Φ中流动的电流限制到预定最大电流。通过将该电流限制到预定最大电流，可能以相对简单的和便宜的断路开关(未示出)来替换在发电机402与输配电网408之间的断路器或其它常规电流中断装置(未示出)。
虽然所图示的发电系统400包括单相AC发电机402，但是本领域技术人员将容易理解本发明的原理和概念同样可很好地适用于具有多于单相的发电系统。例如，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，发电机402可包括多相发电机，输配电网408可包括多相输配电网，负载412可包括多相负载，变压器422可包括多相变压器，并且SFCL 424可包括多相SFCL或者与多相变压器的多个相位相对应的多个单独的SFCL装置。
虽然已经图示和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出各种其它改变和修改是显而易见的。因此意图在所附的权利要求书中覆盖在本发明的范围内的所有这样的改变和修改。