ПОДВОДНЫЙ УЗЕЛ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
SUBSURFACE UNIT OF ELECTRIC FUSES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к подводному узлу плавких предохранителей, выполненному с возможностью работы в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением, и к электрическому устройству, содержащему такой узел плавких предохранителей.
Характеристика предшествующего уровня техники
По традиции, при морской нефте- и газодобыче используют нефтяные платформы. При эксплуатации морских нефтяных платформ может понадобиться установка электронных приборов под водой, например, для управления функциями подводной фонтанной арматуры или подводного противовыбросового превентора. В последние годы устанавливают подводные перерабатывающие сооружения, в которых перерабатывающее оборудование, например электроприводные насосы и газовые компрессоры, перемещают на дно океана. Подводным перерабатывающим сооружениям может потребоваться сеть электропитания, а также системы управления, оперативного контроля и связи. Нужна гарантия, что установленное оборудование работает надежно даже под высоким давлением, прикладываемым морской водой при больших глубинах воды, например более 1000 или даже 2000 метров.
Чтобы защитить оборудование от перегрузок по току или коротких замыканий, можно устанавливать плавкие предохранители, которые разрывают электрическое соединение, если ток через плавкий предохранитель становится чересчур большим. Обычный плавкий предохранитель содержит корпус предохранителя, который может быть сделан из керамики, стекла, пластмассы, стекловолокна или аналогичных материалов, и плавкий элемент. Плавкий элемент обычно представляет собой металлическую полоску или проволоку и подсоединен между двумя электрическими клеммами плавких предохранителей. При токах выше номинального тока, плавкий элемент плавится, тем самым разрывая электрическую цепь. Таким образом, можно изолировать неисправную схему, предотвращая при этом повреждение других электрических компонентов системы.
Чтобы обеспечить плавкий предохранитель для подводных приложений, обычный плавкий предохранитель можно поместить в стойкую к давлению емкость, которую поддерживают под давлением, составляющим примерно одну атмосферу. Эта емкость должна быть толстостенной, чтобы выдерживать высокое давление на глубинах воды более 2000 м. Для обеспечения электрического соединения с плавким предохранителем сквозь стенки емкости, дополнительно требуются проникающие элементы усложненной конструкции, выполненные с возможностью мостикового блокирования разностей таких высоких давлений. Это решение проблемы плавких предохранителей для подводного приложения является весьма затратным из-за упомянутой емкости и проникающих элементов, а также требует значительного объема пространства. Кроме того, емкость является очень тяжелой.
В последние годы предложены решения, в которых электрические компоненты размещают в емкостях с компенсацией давления. Эти емкости наполнены диэлектрической жидкостью, а внутри емкости поддерживается давление, которое почти равно давлению окружающей воды. Стандартные плавкие предохранители обычно несовместимы с такой окружающей средой. Авторы изобретения обнаружили, что диэлектрическая жидкость резко изменяет свойства обычного плавких предохранителей. При его срабатывании плавкий предохранитель по-прежнему сможет прерывать ток, но это будет вызывать взрыв внутри плавких предохранителей, который может оказаться пагубным для других электрических компонентов (например, из-за ударной волны или обломков). Кроме того, продукты сгорания, образующиеся при взрыве, могут сильно загрязнять окружающую диэлектрическую жидкость. Это может вызвать повреждение других компонентов, открытых для воздействия диэлектрической жидкости. Таким образом, обычные плавкие предохранители нельзя использовать в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением.
Желательно разработать плавкий предохранитель для подводных приложений, являющийся компактным и сравнительно легким. Помимо этого плавкий предохранитель должен быть выполнен с возможностью работы в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением, в частности в окружающей среде диэлектрической жидкости. Кроме того, было бы выгодно, если бы плавкий предохранитель можно было изготавливать при сравнительно низких затратах.
Краткое изложение существа изобретения
Соответственно, существует потребность в разработке усовершенствованного плавкого предохранителя для подводных приложений, который смягчает, по меньшей мере, некоторые из вышеупомянутых недостатков.
Эта потребность удовлетворяется посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В соответствии с одним аспектом данного изобретения предложен подводный узел плавких предохранителей, выполненный с возможностью работы в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением. Подводный узел плавких предохранителей содержит кожух, выполненный с возможностью заполнения его диэлектрической жидкостью, и компенсатор давления, содержащий гибкий элемент для осуществления компенсации давления, в частности уравнивания давлений между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха. Компенсатор давления установлен на кожух. Компенсатор давления, в частности гибкий элемент компенсатора давления, выполнен с возможностью уплотнения отверстия в кожухе. Подводный узел плавких предохранителей дополнительно содержит первый проникающий элемент и второй проникающий элемент, каждый из которых проходит сквозь стенку кожуха, направляя первый электрический проводник и второй электрический проводник соответственно в кожух, и плавкий предохранитель, расположенный внутри кожуха и подсоединенный между первым и вторым электрическими соединителями. Конфигурация узла такова, что пространство внутри кожуха уплотнено по отношению к пространству снаружи кожуха.
Поскольку плавкий предохранитель заключен в кожухе и уплотнен по отношению к пространству снаружи него, можно предотвратить повреждение компонентов снаружи кожуха при срабатывании плавких предохранителей (т.е. при пробое или перегорании плавких предохранителей). В частности, кожух может обеспечить, по существу, непроницаемое для жидкости или даже для текучей среды уплотнение по отношению к пространству снаружи кожуха. Кроме того, если плавкий предохранитель взрывается в диэлектрической жидкости, предохраняющей кожух, можно предотвратить загрязнение диэлектрической жидкости снаружи кожуха продуктами сгорания, образующимися при взрыве. Поскольку кожух содержит компенсатор давления, т.е. является кожухом с компенсацией давления, его можно применять в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением, и при этом кожуху не нужны толстые стенки, чтобы выдерживать большие разности давлений. Таким образом, кожух может быть компактным и относительно легким. Посредством, например, гибкого элемента компенсатора давления, уплотняющего отверстие в кожухе по отношению к пространству снаружи кожуха, можно достичь уравновешивания давлений между пространством снаружи кожуха и пространством внутри кожуха. Помимо этого проникающие элементы должны выдерживать лишь малую разность давлений, что дополнительно снижает сложность и сокращает затраты на технические разработки. Таким образом, изготовление узла плавких предохранителей можно сделать экономически эффективным.
В одном варианте осуществления компенсатор давления выполнен с возможностью уравнивания давления внутри кожуха и давления снаружи кожуха, когда подводный узел плавких предохранителей применяют в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением. Таким образом, происходит компенсация давления между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха. В одном варианте осуществления гибкий элемент компенсатора давления уплотняет отверстие кожуха по отношению к пространству снаружи кожуха. Гибкий элемент может быть деформируемым таким образом, что деформация гибкого элемента приводит к изменению объема, ограниченного кожухом. Поскольку изменение диэлектрической жидкости, наполняющей объем, приводит к соответствующему изменению давления, давление можно уравнивать путем деформации гибкого элемента (т.е. давление внутри кожуха уравновешивается давлением снаружи кожуха).
В одном варианте осуществления гибкий элемент может содержать мембрану. Мембрана может быть расположена с возможностью уплотнения отверстия в кожухе. Мембрана может быть деформируемой в положении равновесия в соответствии с силой, прикладываемой к мембране из-за давления снаружи кожуха, и силой, прикладываемой к мембране из-за давления внутри кожуха.
В положении равновесия мембрана будет деформироваться таким образом, что обе силы окажутся почти равными (без учета каких-либо дополнительных сил, прикладываемых из-за натяжения в мембране или аналогичных явлений), т.е. мембрана должна деформироваться, увеличивая ограниченный объем, если давление внутри кожуха (а значит, и соответствующая сила, действующая на мембрану) больше, и уменьшая ограниченный объем, если давление внутри кожуха меньше, чем давление снаружи него, тем самым уменьшая или увеличивая давление внутри кожуха соответственно. Следовательно, в положении равновесия мембраны происходит уравнивание (или уравновешивание) давления между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха. Давление внутри кожуха можно уравнивать, например, с давлением, существующим в подводном устройстве, в котором установлен подводный узел плавких предохранителей. Само подводное устройство может быть наполнено диэлектрической жидкостью и может содержать компенсатор давления, так что, когда подводное устройство установлено на дне моря, давление внутри подводного устройства (а значит - и давление, действующее на подводный узел плавких предохранителей) может оказаться, по существу, аналогичным давлению воды в месте нахождения подводного устройства.
Иными словами, гибкий элемент может быть деформируемым таким образом, что объем, ограниченный кожухом, можно изменять (например, посредством сжатия или расширения сильфона или баллона, деформации поверхности мембраны). Тем самым обеспечивается уравновешивание давлений между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха. Гибкий элемент может иметь, например, такую конфигурацию, что разность давления внутри кожуха и давления снаружи кожуха будет приводить к перемещению гибкого элемента в положение равновесия, в котором (благодаря изменению объема) давление во внутреннем пространстве уравновешивается давлением в наружном пространстве.
В качестве примера отметим, что деформация гибкого элемента в одном направлении может увеличить объем, ограниченный в кожухе, а деформация в другом направлении может увеличить этот объем (например, мембрана или сильфон уплотняет отверстие и деформируется в одном или другом направлении). Поскольку кожух уплотнен и наполнен диэлектрической жидкостью, малые перемещения гибкого элемента могут привести к значительным изменениям внутри кожуха. Если подводный узел плавких предохранителей применяется в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением, разные давления внутри и снаружи кожуха могут привести к разным силам, действующим на гибкий элемент, который может соответственно деформироваться в положении, в котором силы уравновешены. Таким образом, в положении равновесия давление внутри кожуха уравнивается с давлением снаружи кожуха или уравновешивается им.
Отметим, что, при уравнивании или компенсации давлений, давления внутри и давления снаружи оказываются равными в пределах определенного допуска. Внутри кожуха может поддерживаться небольшое отрицательное давление или избыточное давление (например, для предотвращения утечки или проникновения диэлектрической жидкости соответственно). Этого можно достичь за счет соответственного смещения компенсатора давления, например путем приложения дополнительной силы к гибкому элементу. Это можно сделать с помощью груза, пружины, собственной жесткости сильфона, натяжения мембраны или других средств. Разность давлений в уравненном состоянии может быть, например, меньше 100 кПа (1 бар), а предпочтительно - меньше 50 кПа (500 мбар). Отметим, что эта разность давлений составляет менее 0,5 % абсолютного давления (30 МПа (300 бар)) на глубине применения, составляющей 3000 м.
В дополнительном варианте осуществления гибкий элемент представляет собой, по меньшей мере, одно средство из мембраны, баллона и сильфона. Такие гибкие элементы выполнены с возможностью обеспечения приемлемой компенсации давления. Они также являются достаточно прочными и гибкими, чтобы выдерживать ударную волну, когда срабатывает плавкий предохранитель.
Гибкий элемент может быть, например, мембраной, выбранной из группы, включающей в себя мембрану из резины, мембрану из нитрильного каучука, мембрану из термопластичных полиуретанов (ТПУ), мембрану, содержащую волокна сложного полиэфира, мембрану, содержащую поливинилхлорид (ПВХ), и мембрану из бутилкаучука, или состоящей из таких мембран. Мембрана также может включать в себя совокупность вышеупомянутых признаков, например она может быть мембраной из ТПУ, содержащей волокно сложного полиэфира.
Кожух может быть выполнен из металла, т.е. он может быть металлическим кожухом. Первый и второй проникающие элементы могут быть изолирующими проникающими элементами, которые содержат изолирующий материал, расположенный вокруг первого электрического проводника и второго электрического проводника соответственно, обеспечивая металлическому корпусу электрическую изоляцию.
Плавкий предохранитель, расположенный внутри кожуха и подсоединенный между первым и вторым электрическими проводниками, может содержать корпус плавкого предохранителя. Плавкий элемент может быть заключен в корпусе плавкого предохранителя, тем самым обеспечивая защиту плавкого элемента и первый барьер, предотвращающий распространение элементов, получаемых, когда плавкий предохранитель перегорает. Корпус плавкого предохранителя может быть керамическим корпусом. Керамика обычно представляет собой термостойкий материал, тем самым обеспечивая надлежащую инкапсуляцию плавкого элемента. Кроме того, корпус плавкого предохранителя может быть наполнен песком. Это может обеспечить дополнительную защиту при срабатывании плавких предохранителей и может уменьшить время существования дуги. Отметим, что корпус плавкого предохранителя обычно не уплотнен, так что диэлектрическая жидкость может проникать в корпус и наполнять его. Таким образом, плавкий предохранитель не сминается при увеличении давления в кожухе. В других конфигурациях корпус плавкого предохранителя может быть уплотнен с помощью резины, например гибкой резиновой крышки, которая может гарантировать компенсацию давления, или может быть снабжен фильтром и/или мембраной.
Плавкий предохранитель, расположенный внутри кожуха и подсоединенный между первым и вторым электрическими проводниками, может содержать две клеммы и плавкий элемент, подключенный между двумя клеммами, или состоять из таких клемм и такого элемента. Посредством этих клемм, которые могут быть просто участками проводников (например, короткими металлическими полосками), плавкий предохранитель можно подключать к проводникам, идущим в кожух. В частности, каждая клемма может быть прикреплена непосредственно к участку электрического проводника, который выступает из проникающего элемента в кожух. Таким образом, кожух можно поддерживать компактным. В некоторых вариантах осуществления плавкий предохранитель может состоять лишь из соединителей и плавкого элемента, т.е. он может и не содержать корпус плавкого предохранителя.
Плавкий элемент может содержать металлическую проволоку или металлическую пластину, в частности перфорированную металлическую пластину.
В одном варианте осуществления подводный узел плавких предохранителей дополнительно содержит, по меньшей мере, один второй плавкий предохранитель и два дополнительных проникающих элемента, каждый из которых проходит сквозь стенку кожуха, причем второй плавкий предохранитель подсоединен между проводниками, ведущими в кожух посредством упомянутых двух дополнительных проникающих элементов. Таким образом, в случаях когда требуется более одного плавкого предохранителя, можно достичь компактной конструкции. Узел плавких предохранителей может содержать еще больше плавких предохранителей, например 3, 4, 5 или более плавких предохранителей, контакт с каждым из которых осуществляется посредством пары проникающих элементов. В других вариантах осуществления контакт с одной стороной плавких предохранителей возможен посредством проводника, ведущего в кожух только через один проникающий элемент, например в случаях когда все плавкие предохранители соединены с общим источником энергии. Расстояния между плавкими предохранителями можно выбрать достаточно большими, чтобы предотвратить токи утечки или дугообразование. В частности, длины путей утечки (кратчайшее расстояние между двумя точками вдоль поверхности изолирующего материала) можно сделать достаточно большими, чтобы предотвратить вышеупомянутые эффекты.
Проникающие элементы могут быть выполнены с возможностью обеспечения электрической изоляции между кожухом и соответствующим электрическим проводником и обеспечения уплотнения между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха. Предусматривая уплотнение вокруг проводников, можно предотвратить утечку диэлектрической жидкости, а значит - и продуктов сгорания, в пространство снаружи кожуха. Проникающий элемент может быть сквозным соединителем. Каждый проникающий элемент может также служить соответствующему электрическому проводнику механической опорой на кожух.
Каждый проникающий элемент может иметь удлиненную форму. Он может быть выполнен из изолирующего материала, который окружает соответствующий электрический проводник. Изолирующий участок проникающего элемента может выступать в кожух достаточно далеко, достигая длины пути утечки между неизолированным участком проводника и стенкой кожуха, причем эта длина достаточно велика, чтобы предотвратить короткое замыкание или токи утечки через кожух.
Плавкий предохранитель может быть плавким предохранителем низкого напряжения или плавким предохранителем среднего напряжения. Таким образом, его можно приспособить для работы в диапазоне напряжения от 100 В до 1000 В или от 1000 В до 50000 В соответственно. Узел плавких предохранителей можно применять, например, для защиты трансформатора от отказа в других электрических компонентах, соединенных с ним. Плавкий предохранитель может иметь номинальный ток в диапазоне от 500 до 10000 A, предпочтительно - диапазоне от 1000 до 5000 A. Вообще говоря, номинальное значение тока будет адаптировано к конкретному приложению, в котором используется узел плавких предохранителей.
Номинальный ток определяет пороговый ток, который пробивает плавкий предохранитель (его также можно назвать максимальным кратковременным номинальным током). Номинальный рабочий ток (также называемый непрерывным номинальным током) в общем случае будет меньше; он может находиться в диапазоне от 100 A до 1000 A. Эти номинальные значения могут быть предназначены для работы при напряжении 690 В ПТ (переменного тока).
Уплотнение между пространством внутри кожуха и пространством снаружи кожуха может быть непроницаемым для текучих сред. В частности, это уплотнение может быть выполнено с возможностью ограничения диэлектрической жидкости и газов, которые могут образовываться, когда плавкий предохранитель срабатывает внутри кожуха. Уплотнение обычно предусматривают в отверстиях кожуха, оно может содержать уплотнение, формируемое посредством проникающих элементов и посредством компенсатора давления.
Кожух может содержать более одного отверстия, которое уплотнено посредством компенсатора давления. Кожух может содержать 2, 3, 4 или множество отверстий, каждое из которых уплотнено посредством специального компенсатора давления или уплотнено посредством обычного компенсатора давления. Для обеспечения уплотнения и компенсации давления мембрана может накрывать, например, более одного отверстия. Отверстие может быть дыркой в кожухе, или оно может быть расширенным отверстием, таким как в ситуации отсутствия стенки коробчатого кожуха.
В одном варианте осуществления кожух является коробчатым кожухом, имеющим открытую сторону, которая соответствует вышеупомянутому отверстию, при этом гибкий элемент является мембраной, уплотняющей открытую сторону. Таким образом, мембрану можно сделать достаточно большой, а значит - и достаточно гибкой, чтобы она выдерживала ударную волну, создаваемую плавким предохранителем, когда плавкий предохранитель срабатывает (т.е. когда в плавком предохранителе происходит взрыв). Срабатывание плавкого предохранителя может приводить к образованию газов, результатом чего является быстрое расширение объема, а вследствие этого - ударная волна.
В частности, гибкий элемент может быть мембраной, которая составляет стенку кожуха, т.е. мембрана может составлять стенку кожуха, отделяющую пространство снаружи кожуха от пространства внутри кожуха.
Кожух может быть снабжен фланцем на открытой стороне кожуха. Мембрана может быть расположена и сжата между этим фланцем и дополнительным ответным фланцем. Ответный фланец может иметь прямоугольную форму, соответствующую форме фланца кожуха. Сжатия можно достичь с помощью крепежных элементов (например, болтов или винтов), расположенных вокруг обоих фланцев и проходящих сквозь них. Следовательно, мембрана, образующая барьер между пространством внутри и пространством снаружи кожуха, может быть уплотнена у отверстия и может удерживаться на месте.
Размеры кожуха можно адаптировать в соответствии с количеством плавких предохранителей, которые в нем заключены. Эти размеры могут превышать, например, 10×10×5 см.
Кожух может быть выполнен из металла. Он также может быть снабжен слоем изолирующего материала, облицовывающим внутренние поверхности кожуха. Изолирующий материал может быть, например, поликарбонатным материалом.
В одном варианте осуществления кожух наполнен диэлектрической жидкостью, при этом плавкий предохранитель погружен в диэлектрическую жидкость. Диэлектрическая жидкость может проникать в плавкий предохранитель, тем самым предотвращая любое повреждение плавкого предохранителя, когда в кожухе повышается давление, например когда кожух применяют для работы.
Узлу плавких предохранителей можно придать такую конфигурацию, что единственными электрическими элементами, находящимися в кожухе, будут один или несколько плавких предохранителей и электрические проводники, подключенные к соответствующему предохранителю (соответствующим предохранителям). Таким образом, можно достичь компактной конструкции.
Дополнительный аспект изобретения относится к подводному электрическому устройству, содержащему кожух с компенсацией давления, наполненный диэлектрической жидкостью, электрический компонент, погруженный в диэлектрическую жидкость, и подводный узел плавких предохранителей, имеющий любую из вышеупомянутых конфигураций или их комбинаций. Подводный узел плавких предохранителей погружен в диэлектрическую жидкость и электрически подключен к электрическому компоненту.
Таким образом, узел плавких предохранителей может предоставить электрическому компоненту, например трансформатору или аналогичному средству, защиту от короткого замыкания или защиту от перегрузки по току. Плавкий предохранитель узла плавких предохранителей может быть подсоединен, например, последовательно между электрическим компонентом и дополнительным электрическим компонентом, расположенным перед упомянутым компонентом или после него, так что один компонент оказывается защищенным в случае отказа другого. Поскольку узел плавких предохранителей уплотнен, диэлектрическая жидкость в кожухе электрического устройства не загрязняется продуктами сгорания, если плавкий предохранитель перегорает. Кроме того, поскольку узел плавких предохранителей не требует поддержания емкости, стойкой к давлению, под давлением, составляющим одну атмосферу, он является компактным и легким, так что электронное устройство можно спроектировать компактным и легким. Кроме того, узел плавких предохранителей позволяет использовать плавкие предохранители, имеющие сравнительно простую конструкцию.
Признаки аспектов и вариантов осуществления изобретения, упомянутые выше и поясняемые ниже, можно объединять друг с другом, если не указано иное.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенные и другие признаки и преимущества изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания, которое следует читать в связи с прилагаемыми чертежами. На этих чертежах одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы.
На фиг. 1 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий вид сбоку в разрезе подводного узла плавких предохранителей в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 2 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий перспективное изображение кожуха подводного узла плавких предохранителей согласно фиг. 1.
На фиг. 3 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий перспективное изображение подводного узла плавких предохранителей согласно фиг. 1.
На фиг. 4 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий сечение плавкого предохранителя, который можно использовать в вариантах осуществления подводного узла плавких предохранителей.
На фиг. 5 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий вид сверху варианта осуществления подводного узла плавких предохранителей, содержащего три плавких предохранителя.
На фиг. 6 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий перспективное изображение подводного узла плавких предохранителей согласно фиг. 5.
На фиг. 7 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий перспективное изображение варианта осуществления подводного узла плавких предохранителей, содержащего цилиндрический кожух.
На фиг. 8 представлена условная блок-схема, иллюстрирующая подводное электрическое устройство, соответствующее варианту осуществления изобретения.
Подробное описание
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено подробное описание вариантов осуществления данного изобретения. Следует понять, что нижеследующее описание вариантов осуществления приводится лишь с целью иллюстрации, и не нужно понимать его в ограничительном смысле.
Следует отметить, что чертежи надо рассматривать только как являющиеся схематическими изображениями, а элементы на чертежах необязательно вычерчены в масштабе друг относительно друга. Изображение различных элементов выбрано скорее таким, что бы их функция в рамках общего назначения становилась ясной специалисту в данной области техники.
На фиг. 1 показан подводный узел 10 плавких предохранителей, содержащий кожух 11. Как проиллюстрировано на фиг. 2, кожух 11 имеет два отверстия 41 (одно из которых не видно из-за того, что чертеж сделан по законам перспективы), через которые электрические проводники 17, 18 проходят в кожух 11. Он также содержит большее отверстие 40, в которое устанавливают компенсатор давления. Отверстия 41 уплотнены проникающими элементами 15 и 16, а отверстие 40 уплотнено мембраной 21 компенсатора 20 давления. Таким образом, между пространством внутри и пространством снаружи кожуха 11 можно предусмотреть уплотнение, непроницаемое для текучих сред.
Посредством двух проникающих элементов 15 и 16 электрические проводники 17 и 18 ведут в кожух 11. Проникающий элемент может быть выполнен из пластмассы или смолы, в которой заключен соответствующий электрический проводник и которая обеспечивает вокруг этого проводника уплотнение, непроницаемое для текучих сред. Проникающий элемент установлен в отверстии 41 кожуха так, что обеспечивается уплотнение, непроницаемое для текучих сред. Как проиллюстрировано на фиг. 1, выступающий обод проникающего элемента может быть запрессован у стенки кожуха, окружая отверстие, чтобы обеспечить уплотнение. Безусловно, допустимы и другие возможности установки проникающих элементов. Проникающие элементы также могут быть пропущены сквозь соединители.
Плавкий предохранитель 30 электрически подсоединен между электрическими проводниками 17 и 18. В частности, плавкий предохранитель крепится к концам проводников, которые выступают из проникающих элементов 15 и 16 в кожух 11. Кроме того, плавкий предохранитель 30 также механически поддерживается проводниками 17 и 18.
Есть несколько способов установки плавкого предохранителя 30 на концы электрических проводников 17 и 18. Клеммы плавкого предохранителя 30 могут быть прикреплены к концам электрических проводников 17 и 18 посредством механических крепежных элементов, таких как болты и гайки. Это крепление также можно осуществлять или поддерживать посредством пайки или сварки. Клеммы плавкого предохранителя могут быть, например, полыми плоскими цилиндрами, которые надеты на концы проводников и прикреплены к ним. В других вариантах осуществления клеммы плавкого предохранителя и электрические проводники могут быть выполнены как единое целое, т.е. клеммы плавкого предохранителя могут выступать сквозь отверстия в кожухе в пространство снаружи кожуха.
Снаружи кожуха электрические проводники могут вступать в контакт для включения плавкого предохранителя 30 в электрическую цепь. Плавкий предохранитель может быть подсоединен, например, между первым электрическим компонентом, таким как трансформатор, который нужно защитить, и вторым электрическим компонентом, таким как привод с регулируемой скоростью (ПРС), неисправность в котором может вызвать перегрузку по току или короткое замыкание. Плавкий предохранитель 30 выполнен с возможностью срабатывания (т.е. с возможностью перегорания или пробоя), если через него проходит ток, больший, чем пороговый ток. В зависимости от типа плавкого предохранителя, срабатывание может происходить, например, посредством плавления плавкого элемента. Это подробнее поясняется ниже применительно к фиг. 4. Электрическое соединение между электрическими проводниками 17 и 18, которое обеспечивает плавкий предохранитель, прерывается, когда этот плавкий предохранитель перегорает, тем самым предотвращая дальнейшее повреждение электрических компонентов, находящихся перед ним или после него.
Кожух 11 представляет собой кожух с компенсацией давления, поскольку он содержит компенсатор 20 давления. В данном варианте осуществления компенсатор 20 давления содержит гибкий элемент в форме мембраны 21, которая накрывает отверстие 40 кожуха и которая сжата между двумя фланцами 22 и 23. Фланец 22 является частью кожуха 11, как проиллюстрировано на фиг. 2. Ответный фланец 23 имеет, по существу, такую же форму, как фланец 22. В частности, он содержит сквозные отверстия в тех же положениях, что и фланец 22. Эти два фланца 22, 23 прижаты друг к другу посредством болтов и гаек 25, тем самым сжимая мембрану 20, находящуюся между этими фланцами и накрывающую отверстие 40. За счет сжатия мембраны 20 вокруг отверстия 40 для этого отверстия 40 обеспечивается уплотнение, непроницаемое для текучих сред.
Подводный узел 10 плавких предохранителей выполнен с возможностью работы в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением, т.е. в окружающей среде, имеющей давление выше одной атмосферы, в частности в кожухе или емкости с компенсированным давлением подводного электрического устройства. Когда электрическое устройство применяют под водой, давление в среде, окружающей кожух, резко возрастает с увеличением глубины. Благодаря компенсации давления давление внутри электрического устройства тоже увеличивается соответствующим образом, так что узел 10 плавких предохранителей подвергается воздействию столь высоких давлений. Чтобы сделать возможным использование тонкостенного кожуха 11, предотвращая при этом смятие кожуха 11, этот кожух 11 наполняют диэлектрической жидкостью 12 перед применением. Диэлектрическая жидкость подвергается воздействию лишь малых изменений объема при увеличении давления, а также обеспечивает электрическую изоляцию. Когда давление в среде, окружающей узел 10 плавких предохранителей, увеличится, мембрана 21 будет передавать давление в пространство внутри кожуха 11. Малую величину изменения объема, которому подвергается диэлектрическая жидкость 12, можно компенсировать соответствующей деформацией мембраны 21. Таким образом, между пространством внутри и пространством снаружи кожуха можно поддерживать перепад давления, близкий к нулю, даже при больших внешних давлениях. Узел 10 плавких предохранителей может быть выполнен, например, с возможностью работы на глубине воды более 1000 м, 2000 м или даже 3000 м. Таким образом, узел 10 плавких предохранителей может быть выполнен с возможностью работы в окружающей среде, имеющей давление более 10, 20 или даже 30 МПа (100, 200 или даже 300 бар).
Благодаря тому что мембрана 21 компенсатора 20 обеспечивает уравнивание давлений, стенки кожуха 11 можно сделать относительно тонкими, потому что они не должны выдерживать большие перепады давления. Отсутствие большого перепада давления дополнительно облегчает уплотнение отверстий 40, 41 кожуха посредством мембраны 21 и проникающих элементов 15, 16. Вследствие этого подводный узел 10 плавких предохранителей является относительно компактным и легким, так что его изготовление можно сделать экономически эффективным.
Плавкий предохранитель 30 погружен в диэлектрическую жидкость 12, которая будет попадать в корпус плавкого предохранителя. Когда плавкий предохранитель 30 перегорает, дугообразование вызовет получение газов, а значит - и быстрое объемное расширение, приводящее к небольшому взрыву, ударное волне и образованию продуктов сгорания. Взрыв может разрушить корпус плавкого предохранителя 30, приводя к выбросу обломков.
Мембрана 30 выполнена с возможностью выдерживать ударную волну взрыва. Мембрана может быть гибкой, так что она способна выпучиваться наружу и поэтому выдерживать ударную волну и увеличение объема из-за образующихся газов. Кроме того, мембрана может быть выполнена с возможностью выдерживать воздействие выбрасываемых обломков корпуса плавких предохранителей. Во-первых, проколы обломками может нарушить упругость мембраны. Во-вторых, мембрана может быть мембраной, армированной волоконной сеткой или аналогичным средством.
Мембрана может быть выполнена из экструдированного термопластичного полиуретана (ТПУ) на основе сложного полиэфира. Другие возможности включают в себя мембрану из резины, мембрану из нитрильного каучука, мембрану из бутилкаучука, мембрану из поливинилхлорида (ПВХ) и т.п. Мембрана может быть армирована волокнами, например пряжей, сотканной из волокон сложного полиэфира. Мембрану выбирают в соответствии с требуемой гибкостью и стойкостью к прокалыванию.
Поскольку кожух 11 уплотнен по отношению к пространству снаружи, продукты сгорания не могут покинуть кожух 11, когда плавкий предохранитель срабатывает. Продукты сгорания, такие как газы, соединения углерода и т.п., оказываются заключенными в узел 10 плавких предохранителей и не могут загрязнить диэлектрическую жидкость, в которой находится узел плавких предохранителей, когда его применяют под водой. Таким образом, можно предотвратить повреждение других электрических компонентов снаружи кожуха 11.
Отметим, что фиг. 1 иллюстрирует лишь одну возможность воплощения компенсатора давления. Другие воплощения, которые можно представить, включают в себя сильфон или баллон, закрепленный в отверстие в кожухе 11, или аналогичное средство. Компенсатор давления также может быть смещаемым, например, за счет предварительного натяжения гибкого элемента в определенном направлении, вследствие чего в кожухе можно создать внутреннее давление, которое выше или ниже, чем внешнее давление. Такие разности давлений еще и сравнительно малы по сравнению с абсолютными давлениями в рабочем состоянии. Таким образом, система по-прежнему рассматривается как работающая с компенсацией давления или уравниванием давлений, даже если такие малые разности давлений все же существуют.
Поскольку вокруг плавкого предохранителя 30 нет корпуса, который приходится поддерживать под давлением, близким к одной атмосфере, узел 10 плавких предохранителей оказывается компактным. Его размеры выбирают в соответствии с размерами и количеством плавких предохранителей, которые предусмотрены в кожухе 11. Помимо этого размеры кожуха 11 можно рассматривать как длины путей утечки. Кожух 11 может быть выполнен из металла, следовательно, он может быть проводником. Чтобы предотвратить токи утечки или дугообразование, участки проникающих элементов, выступающие в кожух 11, можно сделать достаточно большими, чтобы предотвратить появление достаточной длины пути утечки между электрическими проводниками и кожухом. Размеры кожуха могут превышать, например, 10×10×5 см. Пространство внутри кожуха может быть также облицовано изолирующим материалом, чтобы предотвратить токи утечки или дугообразование.
На фиг. 3 показано перспективное изображение подводного узла 10 плавких предохранителей. Здесь видны те части проникающего элемента 15 и проводника 17, которые находятся снаружи кожуха 11. Проникающий элемент 15 уплотняет отверстие 41.
На фиг. 4 показан плавкий предохранитель 30, который можно использовать в любом из описываемых здесь вариантов осуществления. Плавкий предохранитель 30 содержит две клеммы 35 и 36. Клеммы 35, 36 электрически подключены друг к другу посредством плавкого элемента 33. В примере согласно фиг. 4 плавкий элемент представляет собой перфорированную металлическую пластину. Безусловно, плавкий предохранитель может содержать элементы плавкого предохранителя других типов, такие как одна или более проволок, две или более перфорированных металлических пластин, неперфорированных металлических пластин и т.п. Конструкция плавкого элемента определяет номинальный ток плавкого предохранителя, т.е. ток, выше которого плавкий предохранитель будет разрывать электрическое соединение между двумя клеммами. Если ток через плавкий элемент выше порогового тока, то он нагревает плавкий элемент до температуры выше температуры плавления, так что плавкий элемент, в конце концов, расплавится.
Плавкий предохранитель 30 содержит корпус 31 плавкого предохранителя. Корпус плавкого предохранителя в данном примере представляет собой керамический цилиндр 32, который обладает высокой твердостью и теплостойкостью. Кроме того, корпус 32 плавкого предохранителя может быть наполнен песком.
Когда плавкий предохранитель 30 погружен в диэлектрическую жидкость, эта жидкость будет попадать в корпус 31 плавкого предохранителя. Это даст такой эффект, что появится возможность подвергнуть плавкий предохранитель 30 воздействию повышенного давления, не причиняя повреждение плавкому предохранителю. С другой стороны, нагревание и плавление плавкого элемента 33 в диэлектрической жидкости может привести к образованию газов и продуктов сгорания. Резкое расширение объема может привести даже к разрыву корпуса 31 плавкого предохранителя. Поскольку плавкий предохранитель еще и инкапсулирован в кожухе 11, газы и продукты сгорания, а также фрагменты корпуса заключены в кожухе и не могут загрязнить диэлектрическую жидкость, в которой находится узел 10 плавких предохранителей.
Если явно не отмечено иное, то пояснения, изложенные выше применительно к фиг. 1-4, применимы точно так же к вариантам осуществления изобретения, приводимым ниже применительно к фиг. 5.
На фиг. 5 изображен подводный узел 10 плавких предохранителей, содержащий три плавких предохранителя 30, которые могут быть плавкими предохранителями вышеупомянутого типа. Конструкция узла плавких предохранителей аналогична конструкции, показанной на фиг. 1-3. Узел 10 плавких предохранителей содержит кожух 11, наполненный диэлектрической жидкостью 12. Для каждого плавкого предохранителя 30 предусмотрены два проникающих элемента 15, 16 с проводниками 17, 18, между которыми и подсоединен плавкий предохранитель. Фланец 23 прижат к кожуху 11 болтами 25. Отметим, что мембрана, сжатая между фланцем 23 и кожухом 11, показана прозрачной (т.е. она не показана), чтобы обеспечить обзор пространства внутри кожуха 11. Контакт с каждым плавким предохранителем возможен посредством соответствующих электрических проводников 17, 18.
Промежуток между плавкими предохранителями таков, что длины путей утечки поддерживаются достаточно большими, чтобы предотвратить любые токи утечки или искрение. Должно быть ясно, что подводный узел 10 плавких предохранителей может содержать любое количество плавких предохранителей, например 2, 4, или 5 плавких предохранителей. В кожухе 11 предпочтительно предусматривается от 1 до 10 плавких предохранителей.
Кроме того, можно использовать конфигурации электрических схем, отличающиеся от проиллюстрированной на чертежах. В качестве примера отметим, что одна клемма некоторого количества плавких предохранителей 30 может быть соединена с общим проводником, причем для обеспечения электрического соединения с проводником через кожух 11 требуется лишь один проникающий элемент. Это может быть выгодно в случаях, где эти плавкие предохранители подсоединены между одним и тем же источником питания и разными электрическими компонентами.
На фиг. 6 показано перспективное изображение подводного узла 10 плавких предохранителей согласно фиг. 5. И опять, мембрана 21 показана прозрачной, чтобы дать возможность разглядеть компоненты внутри кожуха. Внутренние стенки кожуха снабжены изолирующим материалом, чтобы предотвратить короткие замыкания через кожух.
На фиг. 7 изображен вариант осуществления, в котором кожух имеет цилиндрическую форму. Отверстия 40 накрыты мембраной, которая обеспечивает уплотнение и компенсацию давления. Открытые концы цилиндра уплотнены глухими фланцами 23, которые содержат отверстие 41 для проникающего элемента и проводника, предназначенного для контакта с плавким предохранителем. В правой части чертежа показан кожух 11 в разобранном состоянии. Фланцы 23 опять установлены на кожух 11 посредством болтов и гаек 25.
Из пояснений, приведенных выше, специалист поймет, что существует много возможностей проектирования кожуха с компенсацией давления для узла плавких предохранителей и что описанные здесь конструкции представляют собой лишь несколько конкретных примеров.
На фиг. 8 представлена условная блок-схема электрического устройства 50, соответствующего варианту осуществления изобретения. Электрическое устройство 50 содержит кожух 51 с компенсацией давления, в котором находятся электрические компоненты 55 - 58 и который наполнен диэлектрической жидкостью 52. Узел 10 плавких предохранителей соединен с электрическими компонентами, что обеспечивает защиту от короткого замыкания или перегрузки по току. В примере согласно фиг. 8 используется подводный узел 10 плавких предохранителей, аналогичный показанному на фиг. 5 и 6 и содержащий три плавких предохранителя. Должно быть также ясно, что в электрическом устройстве 50 может быть использован любой из описанных здесь подводных узлов плавких предохранителей.
В примере согласно фиг. 8 одна клемма каждого из плавких предохранителей подводного узла 10 плавких предохранителей электрически соединена с трансформатором 55, который подает энергию для работы электрических компонентов 56-58. Другая клемма каждого из плавких предохранителей соединена с одним из компонентов 56-58. Если в одном из электрических компонентов (например, в компоненте 56) возникнет короткое замыкание, соответствующий плавкий предохранитель в подводном узле 10 плавких предохранителей перегорит. Таким образом, электрический компонент 56, в котором возникла неисправность, электрически отделяется от источника питания. Это предотвращает повреждение трансформатора 55 и остальных электрических компонентов 57, 58. Таким образом, компоненты 57, 58 могут продолжать работать.
Как подчеркивалось выше, перегорание плавкого предохранителя в диэлектрической жидкости, наполняющей узел 10 плавких предохранителей и повышающей давление в нем, вызовет небольшой взрыв, приводящий к образованию газов, продуктов сгорания и обломков. При этом уплотненный кожух 11 подводного узла 10 плавких предохранителей защитит электрические компоненты в электрическом устройстве 50 от взрыва, а также предотвратит загрязнение диэлектрической жидкости 52 газами и продуктами сгорания.
В заключение, отметим, что вышеописанные варианты осуществления обеспечивают подводный узел плавких предохранителей, который содержит уплотненный кожух с компенсацией давления. Это дает возможность использовать плавкие предохранители в окружающей среде, находящейся под повышенным давлением. Следовательно, для корпусов плавких предохранителей не нужны емкости, работающие при атмосферном давлении. Подводный узел плавких предохранителей является компактным и легким, а техническую сложность, например, проникающих элементов можно уменьшить. Кроме того, можно повысить надежность, в частности потому, что плавкие предохранители уплотнены, оказываясь отделенными от других электрических компонентов.
Специалист поймет, что признаки, поясненные выше применительно к чертежам и разным вариантам осуществления изобретения, можно комбинировать в сочетаниях, отличающихся от тех, которые проиллюстрированы.