PRESSURE COMPENSATED SUBSEA ELECTRICAL SYSTEM
ПОДВОДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С КОМПЕНСИРОВАННЫМ ДАВЛЕНИЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к подводным электрическим системам, и в частности, к подводной электрической системе с компенсированным давлением.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В общих чертах электрическое подводное оборудование и устройства, как правило, требуют высоких стандартов в отношении долговечности, долговременной функциональности и автономности во время работы. Электрическое подводное оборудование, которое требует охлаждения в процессе работы, такое как подводные преобразователи, требует автономного и надежного охлаждения своих компонентов. Известно использование диэлектрической жидкости малой сжимаемости, такой как например минеральное масло в качестве охлаждающей жидкости. Диэлектрическая жидкость также может состоять из натуральных или синтетических сложных эфиров. В общих чертах диэлектрическая жидкость используется для предоставления среды с компенсированным давлением, и дополнительно выполняет функции электроизолирующего вещества электрических компонентов, таких как блоки конденсаторов, размещенных в электрооборудовании. Резервуары подводного силового электронного оборудования, такие как подводные преобразователи, таким образом, как правило, заполнены маслом, которое действует в качестве комбинированного электроизолирующего и охлаждающего вещества. Масло получает тепло от внутренних компонентов преобразователя и отдает его морской воде через стенку резервуара или через теплообменник.
В некоторых случаях резервуар снабжен системой компенсации давления, так что внутреннее давление близко или равно внешнему давлению. Компоновки, содержащие такие системы компенсации давления, в дальнейшем будут называться компоновками с компенсированным давлением. Предоставление системы компенсации давления подразумевает необходимость значительно меньшей нагрузки на стенки резервуара по сравнению с резервуарами (такими, которые являются частью подводной электрической системы) без системы компенсации давления. Например, давление на глубине 3000 метров составляет 300 бар.
В общем случае преобразователь мощности требует нескольких электрических соединений с трансформатором. В известных подводных электроэнергетических системах, как правило, преобразователь мощности и трансформатор устанавливаются в отдельных резервуарах с отдельными системами компенсации давления, и с мокрыми соединениями для электрической связи.
На фиг. 1 схематически показана такая известная подводная электрическая система 1a с компенсированным давлением. Подводная электрическая система 1a с компенсированным давлением содержит первый резервуар, содержащий трансформатор 3, и второй резервуар, содержащий преобразователь 4 мощности. Резервуары соединены посредством трубы. Каждый резервуар заполнен диэлектрической жидкостью 12 и имеет свою собственную отдельную систему 2а, 2b компенсации давления.
В WO 2008/055515 (смотри в нем в частности Фиг. 3) описывается преобразователь и трансформатор, расположенные оба внутри одного водонепроницаемого корпуса. Согласно WO 2008/055515 преобразователь расположен внутри дополнительного влагонепроницаемого корпуса и, следовательно, между ними нет сообщения по текучей среде.
В EP2579438 (смотри в нем в частности Фиг. 6) раскрывается преобразователь и трансформатор, но не упоминается о сообщении по текучей среде.
Из предшествующего уровня техники (такая как в WO 2008/055515) известна также подводная электрическая система с компенсированным давлением, где заполненный жидкостью резервуар преобразователя размещен внутри основного контейнера, который также заключает в себе трансформатор. На Фиг. 2 схематически показана такая известная подводная электрическая система 1b с компенсированным давлением. Подводная электрическая система 1b таким образом содержит первый заполненный диэлектрической жидкостью 12 резервуар, который содержит трансформатор 3 и имеет систему 2а компенсации давления. Первый резервуар, в свою очередь дополнительно содержит второй резервуар. Второй резервуар, также заполненный диэлектрической жидкостью 12, содержит преобразователь 4 мощности и имеет систему 2b компенсации давления.
В общих чертах преобразователь мощности имеет высокие тепловые потери, но требует низких температур для того, чтобы работать эффективно. Поверхности стенок резервуара в большинстве случаев недостаточно для достижения требуемого охлаждения. Поверхность может быть расширена посредством использования гофрировки резервуара, охлаждающих ребер или внешнего теплообменника, но это увеличивает стоимость и вес подводной электрической системы с компенсированным давлением. С другой стороны, трансформатор менее чувствителен к воздействию высоких температур.
EP 2 717401 A1 относится к подводной электроэнергетической системе. Подводная электроэнергетическая система включает в себя первое подводное электрическое устройство, имеющее первую подводную камеру, и второе подводное электрическое устройство, имеющее вторую подводную камеру. Первое подводное электрическое устройство и второе подводное электрическое устройство установлены на общей раме. Между первой подводной камерой и второй подводной камерой предусмотрен канал.
Принимая во внимание вышеизложенное, по-прежнему существует потребность в улучшенной подводной электрической системе с компенсированным давлением, содержащей трансформатор и преобразователь мощности.
СУЩНОСТЬ
В настоящем документе задачей вариантов осуществления является предоставление эффективных подводных электрических систем с компенсированным давлением, содержащих трансформатор и преобразователь мощности.
В частности, в соответствии с первым аспектом представлена подводная электрическая система с компенсированным давлением. Подводная электрическая система с компенсированным давлением содержит корпус, заполненный диэлектрической жидкостью. Корпус имеет первую часть корпуса и вторую часть корпуса, связанных по давлению друг с другом. Первая часть корпуса содержит трансформатор, а вторая часть корпуса содержит преобразователь мощности. Подводная электрическая система с компенсированным давлением содержит компенсатор давления, выполненный с возможностью компенсации давления внутри корпуса. Компенсатор давления может компенсировать давление как в первой части корпуса, так и во второй части корпуса.
Наличие подводного преобразователя мощности и подводного трансформатора, размещенных в общем корпусе, заполненном диэлектрической жидкостью, влечет за собой ряд преимуществ и технические эффектов.
Предпочтительно, что требуется только одна система компенсации давления.
Предпочтительно, что нет необходимости в мокрых соединениях между подводным преобразователем мощности и подводным трансформатором.
Предпочтительно, чтобы корпус имел большую поверхность, которую можно использовать, чтобы уменьшить рабочую температуру преобразователя мощности.
Предпочтительно, что корпус можно было удлинить по вертикали для того, чтобы улучшить естественный конвективный поток диэлектрической жидкости.
Предпочтительно, что это позволяет расположить чувствительные к температуре компоненты в холодной окружающей среде.
Предпочтительно, что подводный трансформатор можно расположить таким образом, чтобы потери трансформатора генерировали естественный конвективный поток диэлектрической жидкости, который помогает охлаждать подводный преобразователь мощности. Этого можно достигнуть либо путем установки трансформатора над преобразователем мощности, либо путем предоставления каналов для охладителя сквозь разделительную стенку.
Предпочтительно, что можно уменьшить температурные градиенты внутри полупроводниковых компоновок и абсолютные температуры.
Другие задачи, признаки и преимущества прилагаемых вариантов осуществления будут очевидны из следующего подробного описания, из прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.
Вообще все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться в соответствии с их обычным значением в области техники, если явно не было определено иначе. Все ссылки на «элемент, устройство, компонент, средство, этап и т.д.» должны явно толковаться как относящееся, по меньшей мере, к одному варианту элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д., если иное явно не указано. Этапы любого способа, описываемого в настоящем документе, не должны выполняться в описанном точном порядке, если явно не указано иное.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь изобретение описывается, для примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На Фиг. 1 и 2 схематически показаны подводные электрические системы с компенсированным давлением в соответствии с предшествующим уровнем техники;
На Фиг. 3, 4, 6, 8 и 9 схематически показаны подводные электрические системы с компенсированным давлением в соответствии с вариантами осуществления;
На Фиг. 5 и 7 схематически показаны компоновки трансформатора и компонентов преобразователя мощности для использования в подводной электрической системе с компенсированным давлением в соответствии с вариантами осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь изобретение будет описано здесь более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны определенные варианты осуществления изобретения. Это изобретение, однако, может быть реализовано во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное набором вариантов осуществления, изложенных в данном документе; скорее, эти варианты осуществления предоставляются в качестве примера, чтобы это раскрытие было тщательным и полным, и полностью доносило объем изобретения специалистам в данной области. Одинаковые номера относятся к одинаковым элементам во всем тексте описания.
Системы охлаждения для электрооборудования, и особенно для подводных электрических систем, используются для охлаждения электрических компонентов, таких как трансформаторы, преобразователи мощности, функциональные блоки для мощной электроники, полупроводниковые модули, разъемы и блоки конденсаторов. Такие электрические компоненты генерируют тепло, которое должно быть рассеяно системой охлаждения. Системы охлаждения подводных электрических систем обычно сконструированы простым образом, избегая каких-либо ненужных частей и механизмов. Вообще желательно иметь пассивные системы охлаждения, таким образом, чтобы системы охлаждения без каких-либо приводных или питаемых частей, например, без насосов, охлаждали электрическое оборудование. В некоторых случаях используется естественная конвекция. Охлаждение за счет естественной конвекции использует передачу тепла от охлаждающей жидкости к окружающей морской воде для генерации циркуляции внутри системы охлаждения и таким образом внутри электрических систем.
Обратимся теперь к Фиг. 3 - 9. Фиг. 3, 4, 6, 8 и 9 являются видами в поперечном разрезе сбоку, иллюстрирующими подводные электрические системы с компенсированным давлением в соответствии с вариантами осуществления. На Фиг. 5 и 7 схематически показаны компоновки трансформатора и компонентов преобразователя мощности для использования в подводной электрической системе с компенсированным давлением в соответствии с вариантами осуществления.
В общих чертах, предлагается подводная электрическая система 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением.
Подводная электрическая система 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением содержит корпус 8. Корпус 8 может быть резервуаром. Корпус 8 заполнен диэлектрической жидкостью 12. Диэлектрическая жидкость 12 может быть маслом. Корпус 8 имеет первую часть 8a корпуса и вторую часть 8b корпуса. Первая часть 8a корпуса и вторая часть 8b корпуса связанны по давлению друг с другом. Связь по давлению может быть сообщением по текучей среде. Первая часть 8a корпуса содержит трансформатор 3, а вторая часть 8b корпуса содержит преобразователь 4 мощности.
Подводная электрическая система 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением дополнительно содержит компенсатор 2 давления. Компенсатор 2 давления выполнен с возможностью компенсации давления внутри корпуса 8. Компенсатор давления 2 может компенсировать давление как в первой части 8a корпуса, так и во второй части 8b корпуса.
Особые преимущества и технические эффекты для таких подводных электрических систем 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением кратко изложены выше. В частности, для первой части 8a корпуса и второй части 8b корпуса требуется только одна система компенсации давления, как это определено в компенсаторе 2 давления.
При использовании электрические компоненты, такие как трансформатор 3 и преобразователь 4 мощности вырабатывают тепло. В общих чертах для некоторых электрических компонентов повышенная температура является общим фактором нагрузки. Так образом в подводных средах, таких как подводные электрические системы, которые требуют высокой надежности, тепловая нагрузка должна быть сведена к минимуму. В электрических компонентах энергия рассеивается во время работы. Эта энергия подводится к наружным стенкам электрических компонентов, где она перенаправляется в окружающее пространство, такое как диэлектрическая жидкость 12, окружающая электрические компоненты. Из диэлектрической жидкости 12 тепло передается в окружающую воду. Более подробно, тепло от диэлектрической жидкости 12 передается на стенки корпуса 8 и оттуда в воду, окружающую корпус 8. Эффективное охлаждение электрических компонентов позволяет ограничить температуру горячих точек электрических компонентов.
Теперь будут описаны конкретные дополнительные признаки таких подводных электрических систем с компенсированным давлением.
Первая часть 8a корпуса может содержать стенку 8c резервуара для передачи тепла от преобразователя мощности 4. Стенка 8c резервуара может содержать рифление или охлаждающие ребра.
Здесь могут быть различные способы предоставления первой части 8a корпуса и второй части 8b корпуса в корпусе 8. Например корпус 8 может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну разделительную стенку 9. По меньшей мере, одна разделительная стенка 9 может быть расположена между преобразователем 4 мощности и трансформатором 3. Примеры таких подводных электрических систем 5d и 5e с компенсированным давлением схематически показаны на Фиг. 8 и 9.
Для таких подводных электрических систем с компенсированным давлением 5d и 5e связь по давлению может состоять, по меньшей мере, из одного сквозного отверстия 10, по меньшей мере, в одной разделительной стенке 9. Пример такой подводной электрической системы 5e с компенсированным давлением схематически показан на Фиг. 9. Альтернативно, по меньшей мере, одна разделительная стенка 9 выступает в качестве направляющей для направления потока диэлектрической жидкости между первой частью 8a корпуса и второй частью 8b корпуса. Пример такой подводной электрической системы 5d с компенсированным давлением схематически показан на Фиг.е 8.
Здесь могут быть различные размеры сквозного отверстия (или сквозных отверстий). Например, по меньшей мере, одно сквозное отверстие имеет суммарное сечение, по меньшей мере, 1 квадратный сантиметр. Таким образом, суммарное сечение всех сквозных отверстий может составлять, по меньшей мере, 1 квадратный сантиметр.
Здесь могут быть различные способы обеспечения электрической совместимости между трансформатором 3 и преобразователем 4 мощности. Например, по меньшей мере, одно электрическое соединение 7 может проходить, по меньшей мере, через одно сквозное отверстие 10, по меньшей мере, в одной разделительной стенке 9 для электрического соединения преобразователя 4 мощности и трансформатора 3. Пример такой подводной электрической системы 5e с компенсированным давлением схематически показан на Фиг. 9.
Здесь могут быть различные способы расположения преобразователя 4 мощности и трансформатора 3 по отношению друг к другу. Например, трансформатор 3 и преобразователь 4 мощности могут быть расположены таким образом, что при использовании, трансформатор 3 расположен в вертикальном положении над преобразователем 4 мощности. Пример такой подводной электрической системы 5c с компенсированным давлением схематически показан на Фиг. 6. Например, трансформатор 3 и преобразователь 4 мощности могут быть расположены таким образом, что при использовании, трансформатор 3 расположен в горизонтальном положении между двумя преобразователями 4 мощности. Пример такой подводной электрической системы 5b с компенсированным давлением схематически показан на Фиг. 4.
Здесь могут быть различные способы обеспечения охлаждения преобразователя 4 мощности и трансформатора 3. Например, электрическая система 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением может содержать контур 11 охлаждения, через который течет диэлектрическая жидкость 12. Контур 12 охлаждения включает в себя, по меньшей мере, преобразователь 4 мощности и трансформатор 3. Примеры таких подводных электрических систем 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением схематически показаны на Фиг. 3, 4, 6, 8 и 9.
Здесь могут быть различные способы расположения преобразователя 4 мощности и трансформатора 3 вдоль контура 11 охлаждения. Например, преобразователь 4 мощности и трансформатор 3 могут быть соединены последовательно вдоль контура 11 охлаждения. Поток диэлектрической жидкости 12 внутри контура 12 охлаждения может, по меньшей мере, частично приводиться в движение посредством естественной конвекцией. Кроме того, трансформатор 3 и преобразователь 4 мощности могут быть расположены относительно контура 11 охлаждения таким образом, что поток диэлектрической жидкости 12 индуцируется тепловыми потерями в трансформаторе 3 и, по меньшей мере, частично используется для охлаждения преобразователя 4 мощности.
Подводная электрическая система с компенсированным давлением может дополнительно содержать теплообменник 6. Теплообменник 6 может быть предусмотрен на внешней стенке корпуса 8. Пример такой подводной электрической системы 5d с компенсированным давлением схематически показан на Фиг. 8. Теплообменник 6 может быть выполнен с возможностью приема диэлектрической жидкости 12 из первой части 8a корпуса и подачи диэлектрической жидкости 12 во вторую часть 8b корпуса.
Конкретные варианты осуществления, относящиеся, по меньшей мере, к некоторым из описанных выше подводных электрических систем с компенсированным давлением теперь будут описаны со ссылками на Фиг.3 - 9.
В соответствии с первым вариантом осуществления, как это показано на Фиг. 3, подводная электрическая система 5a с компенсированным давлением может содержать преобразователь 4 мощности и трансформатор 3 в одном корпусе 8, где охлаждающие потоки смешиваются таким образом, что большую поверхность корпуса 8 можно использовать для частичного охлаждения преобразователя 3 мощности. Кроме того, установка трансформатора 3 и преобразователя 4 мощности в общем корпусе требует только одного компенсатора 2 давления.
В соответствии со вторым вариантом осуществления подводной электрической системы 5b с компенсированным давлением, как это показано на Фиг. 4, составляющие элементы преобразователя 4 мощности установлены вокруг трансформатора 3, обеспечивая тем самым очень компактное расположение. В общих чертах, предложенные в данном документе варианты осуществления создают большую гибкость механической и электрической конструкции так, что оборудование может быть очень компактным. Требуется только один компенсатор 2 давления. На Фиг. 5 схематически показана компоновка трансформатора 3 и компонентов преобразователя 4 мощности для использования в подводной электрической системе 5b с компенсированным давлением в соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 4. Таким образом, обобщая вариант осуществления, показанный на Фиг. 5, предлагается компоновка трансформатора 3 и компонентов преобразователя 4 мощности для использования в подводной электрической системе, где трансформатор 3 и компоненты преобразователя 4 мощности расположены таким образом, что при использовании трансформатор 3 расположен в горизонтальном положении между двумя преобразователями 4 мощности (или между двумя компонентами одного преобразователя мощности).
В соответствии с третьим вариантом осуществления, как это показано на Фиг. 6, где трансформатор 3 подводной электрической системы 5c с компенсированным давлением был расположен вертикально над преобразователем 4 мощности, таким образом, что потери трансформатора вызывают поток диэлектрической жидкости 12 с естественной конвекцией, который помогает охлаждать преобразователь 4 мощности. Требуется только один компенсатор 2 давления. На Фиг. 7 схематически показана компоновка трансформатора 3 и компонентов преобразователя 4 мощности для использования в подводной электрической системе 5c с компенсированным давлением в соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 6. Таким образом, обобщая вариант осуществления, показанный на Фиг. 7, предлагается компоновка трансформатора 3 и компонентов преобразователя 4 мощности для использования в подводной электрической системе, где трансформатор 3 и компоненты преобразователя 4 мощности расположены таким образом, что при использовании трансформатор 3 расположен в вертикальном положении над (компонентами) преобразователя 4 мощности.
В соответствии с четвертым вариантом осуществления, как это показано на Фиг. 8, потери трансформатора вызывают поток с естественной конвекцией, который помогает охлаждать преобразователь 4 мощности. В отличие от варианта осуществления, показанном на Фиг. 6, поток с естественной конвекцией соответствует подводной электрической системе 5d с компенсированным давлением настоящего варианта осуществления, обеспечиваемый за счет направления потока диэлектрической жидкости 12 через каналы, образованные в разделительной стенке 9. Кроме того, в соответствии с настоящим вариантом осуществления подводная электрическая система 5c с компенсированным давлением имеет общий цикл охлаждения, который включает в себя внешний теплообменник 6. Поток диэлектрической жидкости 12 направляется таким образом, что потери в трансформаторе 3 индуцируют поток с естественной конвекцией через преобразователь 4 мощности. Требуется только один компенсатор 2 давления.
В соответствии с пятым вариантом осуществления, как это показано на Фиг. 9, также возможно спроектировать подводную электрическую систему 5e с компенсированным давлением так, что как трансформатор 3, так и преобразователь 4 мощности имеют свой отдельный цикл охлаждения и используют различные части поверхности корпуса для передачи тепла окружающей морской воде. Трансформатор 3 и преобразователь 4 мощности отделяются разделительной стенкой 9 для того, чтобы поддерживать ограниченный теплообмен между ними. В разделительной стенке 9 могут быть небольшие сквозные отверстия 10, так что диэлектрическая жидкость 12 связана по давлению и требуется 12 только один компенсатор давления. Сквозные отверстия 10 могут дополнительно использоваться для предоставления возможности электрического соединения 7, которое устанавливается между трансформатором 3 и преобразователем 4 мощности.
Изобретение, главным образом, было описано выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как легко оценить специалисту в данной области техники, другие варианты осуществления изобретения, чем те, что раскрыты выше, в равной степени возможны в пределах объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Например, хотя масло использовалось в качестве примера диэлектрической жидкости 12, следует понимать, что может использоваться любая подходящая диэлектрическая жидкость 12. Например, хотя была сделана ссылка на один преобразователь 4 мощности, любая из раскрытых в данном документе подводных электрических систем 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением может включать в себя множество преобразователей 4 мощности.
Кроме того, хотя была сделана ссылка на подводную электрическую систему 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением, по одному из аспектов предлагается также подводный преобразователь. Такой подводный преобразователь может включать любые компоненты или признаки раскрытых в данном документе подводных электрических систем 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением. Таким образом, подводный преобразователь может содержать корпус 8, заполненный диэлектрической жидкостью 12, где корпус имеет первую часть 8a корпуса и вторую часть 8b корпуса связанных по давлению друг с другом, где первая часть корпуса содержит трансформатор 3, и где вторая часть корпуса содержит преобразователь 4 мощности. Таким образом, подводный преобразователь может дополнительно содержать компенсатор 2 давления, выполненный с возможностью компенсации давления внутри корпуса, где компенсатор давления может компенсировать давление как в первой части корпуса, так и во второй части корпуса. Таким образом подводный преобразователь может дополнительно содержать любые необязательные компоненты или признаки раскрытых в данном документе подводных электрических систем 5a, 5b, 5c, 5d, 5e с компенсированным давлением.