Brevet FR2618613A1 — publié le 19890127

-.1 - CONNECTEUR ELECTRIQUE ACTIONNABLE SOUS L'EAU La présente invention concerne des connecteurs électriques permettant d'établir et de rompre des liaisons électriques sous Peau. Elle s'applique plus particulièrement à des liaisons électriques transmettant une puissance élevée, par exemple de l'ordre du mégawatt. Une telle liaison électrique se rencontre notamment dans des projets d'installations immergées de transfert d'hydrocarbures pour relier un groupe motopompe à un transformateur d'alimentation en énergie électrique. Dans la demande de brevet britannique 2 138 223, on a proposé un connecteur dont les deux éléments porteurs l'un de pièces de contact mâles, l'autre de pièces de contact femelles sont assemblés par un dispositif de vissage, de manière étanche, l'un à l'autre tandis qu'une commande électrique permet de déplacer les pièces de contact mâles à partir de Pélément qui les porte pour les amener en engagement avec les pièces de contact femelles de l'autre- élément, une connexion et une déconnexion électrique étant ainsi possibles dans une enceinte étanche à l'abri de l'environnement. Mais les deux éléments porteurs des pièces de contact ne peuvent pas être séparés Pun de l'autre sous l'eau sans risque d'introduction d'eau dans le connecteur après son réassemblage. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 641 479 prévoit un connecteur formé d'un élément femelle muni d'un évidement central de forme générale cylindrique bordé latéralement de pièces de contact et d'un élément mâle comportant une broche porteuse de pièces de contact latérales et prévu pour s'engager de manière étanche dans cet évidement et en chasser l'eau qui y a préalablement pénétré. Il est pratiquement impossible d'éviter la présence d'eau dans le connecteur après son réassemblage. On a essayé de parer à ces inconvénients en prévoyant dans l'évidement de l'élément femelle d'un tel connecteur un piston de fermeture sollicité au repos pour s'installer dans l'ouverture de l'évidement et boucher cette ouverture et pouvant se retirer à l'intérieur de l'évidement sous la poussée de la broche pour laisser celle-ci pénétrer dans l'évidement. C'est ce qui a été prévu dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 729 699 et 3 845 450. On a en outre, perfectionné ce système dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 188 084 -2 - en prévoyant d'envoyer un jet d'huile sous pression entre les extrémités de la broche et du piston de fermeture au moment o ces extrémités vont venir en contact mutuel, afin d'éviter l'introduction de corps étrangers dans l'élément femelle. Ces dispositifs présentent cependant de sérieux inconvénients. La broche doit coulisser de manière étanche sur toute sa course à la sortie de l'élément mâle et à l'entrée de l'élément femelle, ce qui est difficile à réaliser et à maintenir en service. Le piston de fermeture et le dispositif élastique qui le sollicite en position de repos doivent fonctionner sans défaillance pendant toute la durée de service de l'élément femelle. Cet élément est normalement celui restant en place et dont on attend un très long service. Lors des recherches qui ont conduit à la présente invention on s'est fixé une fiabilité du connecteur d'au moins deux ans pour l'élément mobile et dix ans pour l'élément fixe de celui-ci. On est parvenu à ce résultat en prévoyant d'une part une liaison étanche des extrémités des corps des deux éléments constitutifs du connecteur pouvant être réalisée en même temps que l'on chasse l'eau présente à ces extrémités et d'autre part une broche porte-contacts munie de deux groupes séparés de pièces de contact électriquement reliées deux par deux d'un groupe à l'autre, qui, insérée entièrement dans l'élément fixe, assure la fermeture étanche de celui-ci et qui, tirée par un mécanisme disposé dans l'élément mobile, pénètre dans celui-ci pour relier électriquement les deux éléments du connecteur. Un objet de l'invention est ainsi un connecteur électrique comprenant deux éléments à corps extérieur allongé, accouplables l'un à l'autre bout à bout à une extrémité d'accouplement de chacun d'eux et munis chacun d'un évidement cylindrique longitudinal et d'un ensemble de pièces de contact dans cet évidement, un premier de ces éléments étant pourvu de moyens d'injection d'un liquide isolant sous pression à l'extrémité d'accouplement de cet élément, caractérisé en ce que le corps du deuxième élément présente à l'extrémité d'accouplement de celui-ci un bout effilé de forme conique et le corps du premier élément présente à l'extrémité d'accouplement de celui-ci un bout évasé de forme conique prévu pour s'emmancher sur ledit bout effilé, des moyens de verrouillage entre ces deux bouts assurant leur maintien en position emmanchée et en ce que chaque ensemble de pièces de contact desdits éléments est fixe dans l'élément qui le porte et installé autour de l'évidement cylindrique de celui-ci, tandis qu'une broche pouvant coulisser dans lesdits évidements et portant - 3- latéralement deux groupes de pièces de contact électriquement reliées deux par deux d'un groupe à l'autre et disposées de manière que les deux groupes puissent simultanément s'engager respectivement avec les deux ensembles de pièces de contact des- éléments accouplés, est munie d'un nez de fermeture et de préhension qui ferme l'évidement cylindrique du deuxième élément quand ladite broche, en position de repos, est entièrement insérée dans ce deuxième élément, des moyens de préhension et de déplacement étant prévus dans le premier élément pour saisir ledit nez et amener ladite broche en position de travail o, partiellement insérée dans chacun des deux éléments accouplés, elle présente les pièces de contact de ses deux groupes de pièces de contact en face des pièces de contact des deux ensembles de pièces de contact des deux éléments accouplés. Ainsi, il est possible d'accoupler de manière étanche les corps des deux éléments du connecteur sous l'eau en chassant toute l'eau qui pourrait s'insérer entre ces deux éléments et ensuite d'effectuer à l'abri de ces corps le transfert partiel de la broche de connexion, du deuxième élément au premier élément, pour former la liaison électrique désirée. Le deuxième élément, qui est l'élément fixe et doit avoir une durée de vie très longue, ne possède pas d'organe mécaniquement actif : la broche de connexion est déplacée par des moyens de préhension et de déplacement situés dans le premier élément, mobile, qui peut avoir une durée de vie plus courte. D'autres particularités du connecteur électrique objet de la présente invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation qui va être donné, à titre non limitatif, en se référant au dessin joint dans lequel: - la Fig I représente, en coupe longitudinale, le premier élément, mobile, d'un connecteur électrique dont la Fig 2 représente,, de même, le deuxième élément, fixe; - les Fig 3 à 8 représentent l'ensemble des deux éléments constitutifs du connecteur électrique, respectivement dans les positions successives suivantes: position initiale préparatoire; accouplement et verrouillage préhension de la broche de connexion; connexion électrique; déconnexion électrique; désaccouplement. L'élément mobile 1 représenté sur la Fig I qui peut, par exemple, être solidaire d'un module motopompe est compris dans un corps cylindrique 2, par -4 - exemple en bronze, qui coulisse dans un support cylindrique 3 et peut être déplacé vers la droite de la figure- si l'on envoie un fluide sous pression dans une chambre 4 par un orifice 5 et vers la gauche de la figure si l'on envoie un fluide sous pression dans une chambre 6 par un orifice 7. Le vérin hydraulique constitué par ces chambres 4 et 6 ménagées entre le corps 2 et le support 3 permet d'avancer ou de rétracter le corps 2 de l'élément mobile I par rapport au corps 8 d'un élément fixe 9, par exemple solidaire d'un module transformateur électrique, représenté sur la Fig 2, diverses positions relatives successives des éléments 1 et 9 étant représentés sur les Fig 3 à 8. Les éléments I et 9, tenus sur leurs supports par des liaisons souples annulaires permettant un léger désalignement relatif d'environ 3 , peuvent être accouplés l'un à l'autre à leurs extrémités d'accouplement situées respectivement au bas de la Fig 1 et au sommet de la Fig 2. A cet effet, le corps 8 de l'élément 9, élément mâle, se termine par un bout effilé conique 10 et le corps 2 de l'élément 1, élément femelle, par un bout conique évasé 11 dont les dimensions internes sont prévues pour correspondre aux dimensions externes du bout éffilé 10, de sorte que le bout 11 peut venir s'appliquer de manière étanche sur le bout 10. Le bout évasé 11 est formé d'une portion relativement rigide 12 et d'une portion relativement élastique 13, par exemple en polyuréthane, qui prolonge la portion 12 et à l'intérieur de laquelle est ménagée une gorge de verrouillage 14 coopérant avec un bourrelet de verrouillage 15 formé sur le bout effilé 10 pour assurer le maintien en position accouplée des deux éléments 1 et 9. Les éléments I et 9 sont généralement placés verticalement, l'élément I étant disposé au- dessus de l'élément 9, mais les éléments 1 et 9 peuvent aussi être placés horizontalement. A l'intérieur de l'élément 1 est ménagé un évidement cylindrique central et longitudinal 16 autour duquel est disposé un ensemble de pièces de contact 17 électriquement reliées à un câble électrique 18. Ces pièces de contact 17 présentent la forme de bagues de contact portées par une pièce isolante cylindrique qui délimite l'évidement 16 sur une partie de la longueur de celui-ci. A l'intérieur de l'élément 9 est ménagé un évidement cylindrique central et longitudinal 19 autour duquel est disposé un ensemble de pièces de contact 20 électriquement reliées à un câble électrique 21. Ces pièces de contact 20 présentent la forme de bagues de contact portées par une pièce isolante cylindrique qui délimite l'évidement 19 sur une partie de la longueur de celui-ci. --5-- Une broche cylindrique de connexion 22, que l'on voit complètement insérée dans l'évidement 19 de l'élément 9 sur la Fig 2 à l'exception d'un nez de préhension 23 faisant saillie hors de l'élément 9, porte deux groupes, respectivement 24 et 25, de pièces de contact annulaires, prévues pour pouvoir s'engager simultanément avec respectivement les pièces de contact de l'ensemble de pièces de contact 17 de l'élément 1 et les pièces de contact de l'ensemble de pièces de contact 20 de l'élément 9 après accouplement des éléments 1 et 9. Les pièces de contact du groupe 24 forment avec les pièces de contact du groupe 25 des couples de pièces de contact électriquement reliées entre elles, le r8le de ces pièces de contact étant de relier électriquement l'ensemble de pièces de contact 17 de l'élément 1 à l'ensemble de pièces de contact 20 de l'élément 9. Dans la position de repos de la broche 22 représentée sur la Fig 2, le groupe de pièces de contact 24 et le groupe de pièces de contact 25 de la broche 22 sont situés longitudinalement de part et d'autre de l'ensemble de pièces de contact 20 de l'élément 9 tandis qu'en position de travail de la broche 22, le groupe de pièces de contact 24 de celle-ci vient s'engager avec l'ensemble de pièces de contact 17 de l'élément 1 et le groupe de pièces de contact 25 de la broche 22 vient s'engager avec l'ensemble de pièces de contact 20 de l'élément 9, par translation de la broche 22 qui pénètre alors dans l'évidement 16 de l'élément 1. A l'extrémité gauche sur la Fig 2 de la broche 22, celle-ci est munie d'un dispositif d'étanchéité 26 qui ferme hermétiquement l'élément 9 quand la broche 22 est en position de repos. Les contacts composant les groupes de pièces de contact 24 et 25 sont séparés les uns des autres par des membranes isolantes et élastiques. Notamment, les membranes du groupe de pièces de contact 24 permettent une isolation électrique parfaite entre chaque contact, même au cas o un film d'eau pourrait se trouver sur la broche 22 à la suite d'une opération de connexion électrique, car il se produit un essuyage et une rupture de cet éventuel film d'eau. L'élément mobile I contient des moyens d'injection d'huile à l'intérieur du bout évasé conique Il et des moyens de préhension et de déplacement du nez de préhension 23 de la broche de connexion 22. Ces moyens ont été combinés pour diminuer le nombre de conduits d'alimentation en huile et faciliter les commandes ainsi que pour réduire l'encombrement de Pélément 1. -6 - Les moyens de préhension du nez 23 comprennent une pince 27 montée à l'extrémité avant (au bas de la Fig 1) d'un piston de déplacement 28 qui coulisse dans l'évidement cylindrique 16 et qui est muni de joints annulaires d'étanchéité 29. Ce piston 28 forme avec le corps 2 dans l'évidement cylindrique 16 un vérin de déplacement dont la chambre arrière peut être alimentée par une entrée 30 et la chambre avant 31 peut être alimentée par une entrée 32 et une canalisation 33. Sur la Fig 1, on a représenté l'entrée 30 très écartée de l'entrée 32 pour clarifier la représentation, mais dans une réalisation de l'élément I on a disposé ces deux entrées près de blocs 34. Ces blocs 34 sont porteurs de verrous 35 coopérant avec des encoches annulaires 36 et 37 ménagées dans le piston 28 pour assurer un verrouillage mécanique franc du piston 28 lorsque, ce piston se trouvant en position avant (déconnexion) ou en position arrière (connexion), la pression hydraulique est supprimée dans le vérin de déplacement. Les verrous 35 sont munis de tétons normalement en saillie sur les blocs porteurs 34 et rentrant dans ces blocs lorsque l'une des encoches 36 et 37 se trouve en face des verrous , ce système permettant un contrôle visuel de la position du piston 28, par exemple à l'aide d'une caméra montée sur un véhicule sous-marin. La pince 27 est ouverte lorsqu'elle est en position de repos. Elle peut être fermée par le déplacement vers l'avant d'un piston de fermeture 38 se prolongeant vers l'avant par un tube cylindrique 39 qui, en position avancée, vient serrer la pince 27. Le piston 28 est muni d'un passage interne axial 40 pour l'amenée d'huile hydraulique d'activation à l'avant du piston 28 à partir de la chambre arrière du vérin de déplacement de ce piston. Un clapet taré 41 installé à l'avant du passage 40 permet l'injection d'huile sous pression par des orifices 42 à l'avant de l'élément 1. Le clapet taré 41 s'ouvre lorsque la pression de l'huile atteint une valeur prédéterminée supérieure à la pression maximale nécessaire aux différentes manoeuvres et permet une injection d'huile lors de l'accouplement mécanique des éléments 1 et 9. Lorsque les éléments I et 9 ont été verrouillés en position d'accouplement mécanique, la pression de l'huile est abaissée à une nouvelle valeur pour laquelle le clapet taré 41 se referme et l'injection d'huile cesse. Cette nouvelle valeur de la pression de l'huile est ensuite maintenue pendant l'opération de connexion électrique. 7 - Un passage transversal 43 mettant en communication le passage axial 40 et une chambre annulaire 44 d'actionnement du piston 38 permet de ramener celui-ci vers l'arrière et de relâcher la pince 27 qui s'ouvre et libère le nez 23 lors d'une phase de déconnexion. L'élément 1 est muni d'une vessie d'équipression 45 entourée d'un capot de protection 46 et l'élément 9 est muni d'une vessie d'équipression 47 entourée d'un capot de protection 48. Ces vessies sont remplies d'huile diélectrique et transmettent intégralement la pression extérieure à l'intérieur de ces éléments à travers des passages et conduits généralement non représentés ici. 0 Sur les Fig 3 à 8, l'élément I a été représenté sous l'élément 8, mais, généralement, si ces éléments sont verticaux, l'élément I sera au-dessus de l'élément 8. On a prévu une arrivée d'huile sous pression 49 qui se divise en une conduite 50 reliée, ainsi qu'une évacuation 51, aux entrées 30 et 32 par l'intermédiaire d'un distributeur 52 et en une conduite 53 reliée, ainsi qu'une évacuation 54, aux orifices 5 et 7 par l'intermédiaire d'un distributeur 55. La Fig 3 représente la phase préparatoire à l'accouplement des éléments 1 et 9. L'enveloppe 2 de l'élément I est encore maintenue en position arrière relativement au support 3 par l'alimentation en huile sous pression de l'orifice 7. L'entrée 30 est alimentée en huile sous pression, par exemple à 130 bars, ce qui provoque l'ouverture du clapet taré 41 et une injection d'huile sous pression dans l'espace interne au bout évasé Il et maintient la pince 27 en position d'ouverture, le piston 28 étant, en outre, en position avant. L'approche du corps 2, le centrage et l'alignement de celle-ci relativement au corps 8 de l'élément 9 s'effectuent ensuite en alimentant l'orifice 5 en huile sous pression comme le montre la Fig 4, ce qui provoque l'avancée du corps 2 vers le corps 8 tandis que l'entrée 30 continue d'être alimentée en huile sous pression pour maintenir la pince 27 ainsi que le clapet taré 41 en position d'ouverture. Le bout-évasé 11 s'emmanche sur le bout effilé 10 tandis que l'eau se trouvant entre les éléments 1 et 9 est chassée par l'huile injectée dans le bout évasé 11 à travers le clapet taré 41. Le bourrelet 15 s'engage dans la gorge 14, ce qui verrouille mécaniquement les éléments 1 et 9 en position d'accouplement. La pression de l'huile est alors abaissée, par exemple à 105 bars, pour supprimer l'injection d'huile. -8 - On continue ensuite de maintenir la pression d'huile sur l'orifice 5 et l'entrée 30, mais on envoie aussi de l'huile sous pression sur l'entrée 32, comme le montre la Fig 5, pour fermer la pince 27 par déplacement vers l'avant du piston de fermeture 38. Le piston 28, restant en équipression, ne bouge pas. On peut alors effectuer la connexion électrique des éléments 1 et 9. Pour cela, on supprime l'alimentation de l'entrée 30, comme le montre la Fig 6. L'alimentation de l'entrée 32 provoque le déplacement vers le bas de la figure du piston 28 et, par suite, de la broche de connexion 22 dont les pièces de contact 24 et 25 s'engagent respectivement avec les pièces de contact 17 de l'élément 1 et les pièces de contact 20 de l'élément 9, tandis que la pince 27 reste fermée. Le piston 28 est maintenu dans cette position arrière par l'engagement des verrous 35 dans l'encoche 37. Si l'on veut effectuer une déconnexion des éléments 1 et 9, on alimente l'entrée , comme le montre la Fig 7, tandis qu'on maintient la pression sur l'orifice 5. La broche 22 rentre dans l'élément 9 et la pince 27 s'ouvre par suite de la non- alimentation de l'entrée 32. On peut alors procéder au désaccouplement mécanique des éléments 1 et 9 en alimentant en huile sous pression l'orifice 7 au lieu de l'orifice 5, comme le montre la Fig 8. Si, malgré la grande fiabilité des composants du connecteur, la déconnexion suivant la procédure normale ne pouvait s'effectuer, on effectuerait une déconnexion de secours. En cas de non ouverture des verrous 35 on augmenterait la pression envoyée à l'entrée 30 (par exemple à 210 bars au lieu de 105 en utilisation normale) pour cisailler des pions de maintien des verrous, puis on procéderait de la manière habituelle. En cas de non ouverture de la pince 27 on augmenterait la pression sur l'entrée 32 et l'orifice 7 pour provoquer la rupture des doigts de la pince, puis on reprendrait la procédure normale de déconnexion depuis le début. Au cas o le désaccouplement des corps 2 et 8 ne pourrait se réaliser, on effectuerait une injection d'huile par l'entrée 30 afin de détacher le bout évasé 11 du bout effilé 10, après quoi l'envoi d'huile sous pression sur l'orifice 7 permettrait la séparation des enveloppes 2 et 8. -9 - Des essais effectués à une tension de 2000 V avec des pics à 4000 V sur un connecteur réalisé selon Pexemple donné ont montré que les pièces de contact pouvaient admettre un courant de 450 A et qu'après 50 manoeuvres comprenant accouplement et connexion-déconnexion et désaccouplement, la résistance d'isolement restait égale à 100 000 M S au minimum. De nombreuses variantes peuvent évidemment être apportées.à la réalisation du connecteur, notamment dans les pièces d'accouplement et de connexion et dans les vérins de déplacement et les circuits de commande de ceux-ci. 2 6 1 8 6 13 - 10- REVENDICATIONS I - Connecteur électrique comprenant deux éléments (1, 9) à corps extérieur allongé, accouplables l'un à l'autre bout à bout à une extrémité d'accouplement de chacun d'eux et munis chacun d'un évidement cylindrique longitudinal et d'un ensemble de pièces de contact dans cet évidement, un premier (1) de ces éléments étant pourvu de moyens d'injection d'un liquide isolant sous pression à l'extrémité d'accouplement de cet élément, caractérisé en ce que le corps (8) du deuxième élément (9) présente à l'extrémité d'accouplement de celui-ci un bout effilé (10) de forme conique et le corps (2) du premier élément (1) présente à l'extrémité d'accouplement de celui-ci un bout évasé (11) de forme conique prévu pour s'emmancher sur ledit bout effilé (10), des moyens de verrouillage (14, 15) entre ces deux bouts (10, 11) assurant leur maintien en position emmanchée et en ce que chaque ensemble de pièces de contact (17, 20) desdits éléments est fixe dans l'élément (1, 9) qui le porte et installé autour de l'évidement cylindrique (16, 19) de celui-ci, tandis qu'une broche cylindrique de connexion (22) pouvant coulisser dans lesdits évidements (16, 19) et portant latéralement deux groupes (24, 25) de pièces de contact électriquement reliées deux par deux d'un groupe (24) à l'autre (25) et disposées de manière que les deux groupes (24, 25) puissent simultanément s'engager respectivement avec les deux ensembles (17, 20) de pièces de contact des éléments accouplés (1, 9) , est munie d'un nez de fermeture et de préhension (26, 23) qui ferme l'évidement cylindrique (19) du deuxième élément (9) quand ladite broche (22), en position de repos, est entièrement insérée dans ce deuxième élément (9), des moyens de préhension (27) et de déplacement (28) étant prévus dans le premier élément pour saisir ledit nez (23) et amener ladite broche (22) en position de travail o, partiellement insérée dans chacun des deux éléments accouplés (1, 9), elle présente les pièces de contact de ses-deux groupes de pièces de contact (24, 25) en face des pièces de contact des deux ensembles de pièces de contact (17, 20) des deux éléments accouplés (1, 9). 2 - Connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de préhension et de déplacement comprennent un piston de déplacement (28) coopérant avec le corps (2) du premier élément (1) dans ledit 2618 6 13 - 11 - évidement cylindrique (16) dudit premier élément (1) pour former un vérin de déplacement, muni d'un passage axial (40) pour amener un liquide isolant sous pression à l'extrémité d'accouplement de ce premier élément (1) et porteur d'une pince de préhension (27) et d'un piston de fermeture (38, 39) coulissant sur le piston de déplacement (28) pour fermer ladite pince de préhension (27). 3- Connecteur selon la revendication 2, dans lequel ledit piston de déplacement (28) forme avec ledit corps (2) du premier élément (1) dans ledit évidement (16) de celui-ci une chambre d'avance de ce piston de déplacement vers le deuxième élément (9) et une chambre (31) de retrait de ce piston de déplacement, caractérisé en ce que ledit piston de fermeture (38, 39) borde d'une part cette chambre (31) de retrait du piston de déplacement, chambre qui agit ainsi également pour amener ledit piston de fermeture en position de fermeture de la pince de préhension (27) et d'autre part une chambre annulaire (44) formée entre les pistons de déplacement (28) et de fermeture (38, 39), chambre annulaire qui est en communication avec ledit passage axial (40) et qui agit pour ramener ledit piston de fermeture (38, 39) en position d'ouverture de la pince de préhension (27). 4 - Connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits deux éléments (1,9) sont munis chacun d'une vessie d'équipression (45,47) remplie d'huile diélectrique et transmettant la pression extérieure à l'intérieur de ces éléments, pour rendre le connecteur apte à fonctionner sous n'importe quelle profondeur d'eau;