CN105874654A - 连接器单元的连接器部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有凸形部件(14)和凹形部件(16)的连接器单元(12)的连接器部件(10),包括具有在凸形部件(14)和凹形部件(16)的配对过程之后受到电应力的至少一个端区域(22,24)的至少一个导电层(18,20)。为了最小化电应力集中,连接器部件(10)的特征在于用于减小至少一个端区域(22,24)处的电应力的至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)。
Description
技术领域
本发明涉及具有凸形部件和凹形部件的连接器单元的连接器部件,其包括具有在凸形部件和凹形部件配对之后电应力的至少一个端区域的至少一个导电层。
背景技术
在不久的将来,将需要对远距离通信的不断增加的需求、尤其是例如在大陆之间。因此,位于海底并且在海底操作的基础架构、如海底线缆以及链接海底线缆和模块的连接器、例如海底模块、如变压器、泵等很重要。已知使用导电镀层作为控制连接器内的电应力的手段并且使得能够减小连接器的大小。然而镀层在镀层结束的任何地方的确产生高电应力的局部区域,这引起应力集中并且在典型的连接器和穿透器中的导体与绝缘体之间的高的AC电压的情况下可能导致部分放电。这在不可接受的低电压的情况下甚至可能导致连接器或穿透器的故障。
在当前连接器中,使用相对于操作电压足够大大小的部件来避免临界区域中的不可接受的高应力点。然而,对于高压连接器设计,按照这一方法将导致相对较大、较重和较昂贵的部件。
本发明的第一目的是提供用于具有非电应力接口并且尺寸很小并且重量很轻并且可以以低成本制造的连接器单元的连接器部件。
这一目的可以通过根据独立权利要求的主题的连接器部件来解决。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种特别是用于在深海应用中使用的连接器单元的连接器部件,其中连接器单元包括凸形部件和凹形部件,并且其中连接器部件包括具有至少一个端区域的至少一个导电层或涂层,至少一个端区域在凸形部件和凹形部件的配对之后电应力。
提出了连接器部件的特征至少在于用于减小至少一个端区域处的电应力的应力控制设备。
由于发明主题,可以高效地控制电应力并且可以在没有应力控制设备的情况下关于系统最小化电应力集中应力。因此,减小了部分放电的风险并且避免了连接器可能在不可接受的低压处发生故障的可能性。尤其是这样,因为端区域在连接器被配对时布置在移动部处并且接近油流并且电应力绝缘油,其本质上在电方面比固体绝缘器更弱。因此,提供了可靠的连接器部件,其与现有技术的系统相比不太易于受到错误的影响,并且能够成功地用在高压应用中。
另外,通过使用发明的应力控制设备,可以将连接器部件、如绝缘装置放置在与现有技术的系统相比更大的电应力之下。在防止应力发散到可能具有不利影响的位置方面也有优点。因此,电应力在电流承载部件的设计期间在很多区域中很容易控制。因此,可以有利地提供与现有技术的系统相比具有较少电问题的系统。另外,这一发明设计减小了连接器单元的大小和重量以及零件和组装件的成本。
即使术语“导电层、端区域、应力控制设备、传导部件、绝缘模制件、紧固结构、部件、部件组件、轮廓、锥形、材料、涂层、微变阻器、表面”(也参见以下)在权利要求和说明书中以单数形式或者以具体的数字形式使用,然而专利(申请)的范围不应当限于单数或具体数字形式。具有一个或多个以上提及的结构也落入本发明的范围。
连接器单元意图表示物理上连接至少两个部件、如两个线缆、优选地是海底线缆或具有海底模块的线缆(例如变压器、泵等)或分别在模块或两个模块内部的母线的单元。因此,优选海底连接器单元。连接器单元可以用在任何严酷环境中并且可以实施为电连接器和/或侵入器或优选地实施为湿法可配对连接器/侵入器。另外,其优选地在高压应用中采用。
这样的连接器单元至少包括有助于在两个连接的部、如两个线缆或具有模块的线缆的匹配位置处建立电连接的导体部。这一导体部可以是用于接触凸形部件的导体引脚的连接器或入侵器的导体引脚、插座引脚或凹形部件或者连接器的凹形部件、插头或插座或连接器本体的插座触头。因此,发明的连接器部件实施为凸形部件和/或实施为凹形部件并且特别地是连接器单元的连接器部件。
另外,凹形插座意图表示具有开口、凹部或孔的连接器单元的一个部分以用于容纳连接器单元的另一部分,如导体引脚或其部分。另外,如果连接器单元的实施例包括入侵器,则导体引脚经由壳体永久连接至线缆或模块。因此,导体引脚意图表示具有引脚、延伸部等的单元的用以接合或者被插入在凹形插座或线缆或模块的开口中的部分。连接器引脚及其对应部分(凹形插座、线缆或模块)意图在凸形、凹形部件的配对或者导体引脚与线缆或模块的永久连接的情况下建立电连接。凸形、凹形部件或模块每个可以被包装在外壳中或者在线缆的外部。
另外,以下文本中也称为传导性层或涂层的导电层可以是本领域技术人员可行的任何层,如金属层、陶瓷层或传导性塑料层。在实验上示出,以下范围对于传导性层的传导属性是有益的。如果是金属层,则其厚度可以在1μm到40μm之间,优选地在5μm到35μm之间,并且最优选地在10μm到30μm之间。另外,如果是传导性塑料层,则其厚度可以在1mm到20mm之间,优选地在1.5mm到10mm之间,并且最优选地在2mm到5mm之间。另外,如果是陶瓷层,其厚度可以在1μm到500μm之间,优选地在50μm到200μm之间,并且最优选地在80μm到120μm之间,并且优选地是大约100μm。
另外,金属层例如可以由铜、铜合金、铝、镍钴铁合金(例如Kovar(R))、钼、钛和(含磷)镍制成。另外,金属层可以布置在基本层上,例如在铜基本层顶部的高含磷镍。因此,金属层可以包括多于一个层。金属层可以包括钛或(含磷)镍,后者沉积在由铜制成的基本层上。传导性塑料层例如可以由工程塑料或者PAEK族或环氧族或聚酰胺族、优选地聚醚醚酮(PEEK)材料制成。陶瓷层例如可以由Bi2O3或Cr2O3制成。另外,可以使用钛陶瓷,例如TiN和TiO,并且可能使用陶瓷最佳。
传导性层的端区域意图表示传导性层的其中层的传导属性被终止的区域和/或端区域与传导性层的物理端部相同。另外,应力控制设备意图表示对与本领域技术人员而言具有改变或减小电应力的发生的能力的可行的任何设备,如部件、部件组件或现有技术部件的修改,如重新成形、不同布置、材料替换或涂覆。因此,应力控制设备是电应力控制设备。
优选地,应力控制设备至少布置在连接器部件的一个表面处,并且最优选地,布置在传导性层处。应力控制设备可以与表面具有物理上交叠的接触,或者与表面例如经由中间部直接或间接地至少电连接。用语“在配对过程之后”尤其应当理解为在连接器单元的操作期间。
另外,导电层是连接至连接器单元的高压部的第一导电层。有利地,导电层是连接至连接器单元的零电压部(0V)的至少第二导电层。这两个传导性层由一个绝缘体或若干绝缘体径向分离。术语“连接”应当理解为直接或间接连接。连接器单元的高压部和零电压部可以是凸形部件的高压部和0V部或者凹形部件的高压部和0V部,或者是这二者。这是因为,在凸形引脚和凹形插座配对之前,有两个高压部和两个零电压部,其中一个在凸形引脚中并且一个在凹形插座中。然而,一旦凸形引脚和凹形插座配对,则两个高压系统连结并且零电压系统(两个接地系统)连结,因此在配对状态下,在凸形引脚与凹形插座之间仅共享有一个连续的高压区域和一个连续的0V区域。
连接器部件可以包括电流承载部件和在电流承载部件周围的绝缘套。第一导电层的至少部分可以设置在绝缘套的内部上,特别是在连接至高压部的层。第二导电层的至少部分可以设置在绝缘套的外部上,特别是连接至接地或零电压部的层。
在连接器单元在其配对位置的操作期间,通过高压区域与0V区域之间的各种绝缘介质的电压增加。如果是没有应力控制设备的现有技术的连接器单元,则电压轮廓在其中传导性层结束的区域周围强烈地“弯曲”。这是因为,传导性层的端部尖锐并且非常突然,因此不能控制电压轮廓如何变化。介质上的电应力由电压场的变化速率给定。因此,在其中电压轮廓彼此接近或者尖锐地弯曲的任何区域中存在高的电应力。
为了克服这一现象,应力控制设备以如下方式来实施:该方式使得在凸形部件和凹形部件的配对位置建立在第一导电层与第二导电层之间的具有不同电势的区域关于连接器单元的轴在径向方向上和轴向方向上基本上均匀地分布。因此,可以避免电应力集中的发生。术语“在径向方向上和轴向方向上基本上均匀地分布”应当理解为,具有不同电势的区域的径向厚度基本上相同并且具有不同电势的区域的轮廓与连接器单元的轴的方向发散小于60°。在径向厚度的范围内,“基本上相同”也应当表示大约15%的径向厚度的偏离。
另外,应力控制设备通过到传导性层的端区域的物理、具体地是电接触至少布置在凸形部件和凹形部件的配对位置。因此,可以建设性地容易地最小化电应力。
在优选实施例中,应力控制设备包括至少一个传导部件。因此,可以很容易限制电应力的幅度。传导部件可以具有对于本领域技术人员而言适合的任何传导材料。有利地,传导部件具有选自包括金属、聚合物、弹性体、橡胶以及优选地硅橡胶的组的材料。这提供了部件的很容易的制造过程、灵活的组装以及令人满意的属性。优选地,传导部件是弹性部件,使得其可以以其期望形状就地成形以扩展其应用领域。
优选地,传导部件具有具体成形的轮廓以分别在至少布置在凸形部件和凹形部件的配对位置的端区域处的连接单元的至少部件和/或部件组件的表面梯度处平滑和/或平衡电应力影响和/或高电应力发生。因此,可以通过简单的方式来对抗正在发生的电应力。表面梯度应当理解为连接器单元的部件或至少两个部件之间的径向和/或轴向扩展的变化,如尖锐弯曲、步进的轮廓或锥形。
有利地,传导部件具有具体成形的轮廓,其具有锥形轮廓,尤其是圆锥形状。因此,轮廓的变化特别平滑,这使得场能够平滑地发散,从而减小应力。优选地,具体地逐渐的和/或圆锥形的锥形延伸离开导电层的端区域。换言之,锥形的开口或锥形的开口的放大延伸离开传导性层/涂层的端区域。这导致被选择用以补偿电压场的变化的在传导性层后面的传导部件的定向。
根据本发明的优选实现,应力控制设备包括产生应力控制设备的良好绝缘的至少一个绝缘模制件。在本发明的优选实施例中,绝缘模制件基本上模制在传导部件周围。这导致传导部件与不利影响的高效分离。有利地,绝缘模制件将液态绝缘体(油)与传导部件电分离并且从而产生油从更高应力区域的排斥。术语“基本周围”应当理解为传导部件在绝缘模制件中至少嵌入到50%,优选地嵌入到至少80%,并且最优选地嵌入到至少95%。本领域技术人员可以根据传导部件与干扰材料/效果接触的风险来决定这一百分比。可以甚至合适的是,将传导部件在绝缘模制件中嵌入到100%。
优选地,绝缘模制件是提供调节至操作条件的能力的弹性部件。另外,绝缘模制件具有选自包括聚合物、软聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE))、橡胶和硅橡胶的组的材料。因此,可以使用具有已知的良好的绝缘以及部分弹性属性的材料。
在本发明的另外的实施例中,应力控制设备包括至少一个紧固结构。因此,应力控制设备可以固定到连接器单元的正确部分/固定在其中。紧固结构可以是对本领域技术人员可行的任何部件,如环、夹钳、钩子、卡齿、螺钉、孔等。根据本发明的另外的方面,应力控制装置经由紧固结构附接至凹形部件。这提供应力控制设备的可靠和稳定的定位,尤其是在凸形部件和凹形部件的配对期间。
根据本发明的优选实现,传导部件和绝缘模制件被模制到紧固结构上。因此,紧固结构可以用于固定弹性部件。如果紧固结构具有选自包括金属、不锈钢和铝的组的材料,则可以提供分别到连接器部件件或凹形部件的可靠连接。另外,通过选择合适的金属作为用于紧固结构的材料,其提供了到传导部件的所需要的电接触。
因此,应力控制设备是至少包括传导部件、绝缘模制件和紧固结构的部件组件或单元。这一部件组件紧密地装配在传导性层的端部周围,以排斥油并且提供传导材料的缓变切面,这使得场能够平滑地发散,从而减小应力并且将相对稀薄(weak)的油从区域排除。
优选地,应力控制设备的传导部件以及绝缘模制件和紧固结构每个实施为环。因此,所有件分别可以很容易地集成在连接器单元中或者优选地集成在凹形部件处。在本发明的优选实现中,环关于连接器单元的轴线并且因此关于彼此同轴布置。由于这些实施例,部件组件可以很容易地布置或装配在凹形部件的轴向延伸的孔中。另外,环被适配成对应于凸形部件的形状,尤其是对应于凸形部件的导体引脚。
在实施例中,连接器部件是凹形部件,其中至少一个应力控制设备包括安装在凹形部件的孔中的第一应力控制设备。第一应力控制设备可以具有环形形状以使得凸形部件的引脚能够插入穿过。第一应力控制设备的绝缘模制件可以提供与凹形部件的绝缘套物理接触的径向面朝外的表面。这样,填充凹形部件的电介质液体可以与在传导性层的端部部分中的凹形部件的绝缘套发生位移凹形部件凹形部件,从而避免电介质液体内的高电应力并且从而避免其损坏。
在实施例中,连接器部件是凹形部件,其中至少一个应力控制设备包括安装在凹形部件的孔中的第二应力控制设备。第二应力控制设备具有环形形状使得凸形部件的引脚能够插入穿过。第二应力控制设备可以成形使得绝缘模制件在配对位置与凸形、凹形部件的引脚的外表面物理接触。这样,填充凹形部件的电介质液体可以与凸形部件传导性层的端部部分或引脚发生位移凹形部件,从而避免电介质液体内的高电应力并且从而避免其破坏。
在本发明的有利实施例中,应力控制设备包括第一应力控制设备并且端区域包括第一导电层的第一端区域,并且另外,应力控制设备包括至少第二应力控制设备并且端区域包括至少第二导电层的至少第二端区域。因此,可以最小化在至少两个区域处的高电应力的风险,产生甚至更可靠的连接器单元。当在每个端区域处,应力控制设备物理地、特别是电连接至导电层时,可以获得可靠的应力控制。
优选地,第一导电层布置在凹形部件处并且连接至连接器单元的高压部,并且第二导电层布置在凸形部件处并且连接至连接器单元的零电压部。因此,可以保护在现有技术的系统中与比固体绝缘体具有更低破坏强度的绝缘体(如油)接触的传导性层的端区域,使其免受应力控制设备的电应力。
在本发明的另外的实现中,第一应力控制设备和第二应力控制设备每个具有关于连接器单元的轴同轴布置的圆形结构,从而实现其在连接器单元中的有利布置。有利地,第一应力控制设备和第二应力控制设备在连接器单元的轴向方向上在凹形部件的孔中一个接一个布置。因此,应力控制设备具体地布置成在端区域在凸形部件和凹形部件的配对位置接合,这具有承受高的应力集中的风险。
在本发明的另外的有利实现中,第一应力控制设备和第二应力控制设备经由压配合至少在凸形部件和凹形部件的配对位置连接至连接器部件。因此,两个应力控制设备紧密地和安全地连接传导性层的相应端区域。优选地,布置成更远离孔的开口的第一应力控制设备经由压配合连接至凹形部件,并且布置成更朝着孔的开口的第二应力控制设备经由压配合连接在凸形部件和凹形部件的配对位置。
换言之,在组装连接器单元时,第一应力控制设备被压装配到凹形部件中,并且在凸形部件配对到凹形部件时,第二应力控制设备伸展装配到凸形部件上。这确保了第一应力控制设备紧密布置在凹形部件孔中并且第二应力控制设备安全地接触凸形部件的第二传导性层并且另外凸形部件固定到凹形部件的孔。另外,另外的优点在于,压装配以及伸展装配确保了所有的绝缘油在镀层的端区域从高应力区域被排除。
因此,第二应力控制设备的内径小于凸形部件的外径。另外,第二应力控制设备的内径小于第一应力控制设备的内径。因此,第一应力控制设备从不直接接触凸形引脚,因为内径足够大使得这些部分之间存在空隙。
第一应力控制设备通过其紧固结构在插座触点的正向端部分别连接至连接器单元的高压部或者凹形部件。在凸形部件与凹形部件配对之前,第二应力控制设备安装在其中凹形插座的0V部分与铝紧固结构之间制造有电接触的插座触点的孔中。这在部件、例如弹簧、弹簧锁销或者将紧固结构连接至凹形部件的金属部件的另一适当连接的布置上进行,其中这一部件又连接至接地的凹形插座的金属本体。
根据本发明的替选实施例和/或附加特征,应力控制设备以如下方式实施:该方式使得其依赖于所施加的电压而变为具有传导性。或者换言之,应力控制设备包括至少一个电非线性材料。这使得应力控制设备能够对在期望的正常操作条件之外的负载做出反应,这可以用于减小不期望的污染物周围的场或者对连接器部件或其接触引脚的损坏。材料属性的这一适应性特性还在加载诸如脉冲电压下帮助连接器单元。非线性材料在所施加的电压与电阻率之间具有不成比例的关系。一旦电压达到门限,则其从电阻性材料变为传导性材料。
优选地,应力控制设备实施为尤其是由非线性材料制成的涂层。因此,应力控制设备可以很容易应用。涂层可以是以上描述的部件组件的附加特征,或者部件组件可以省略,并且涂层是单个应力控制设备。这通过去除必须相对于插座引脚特征定位在精确位置的大量难以模制部件会使得连接器单元设计内的应力控制的简化。
当通过以下方法之一应用涂层时可以很容易获得涂层:二次成型(over-moulding)、粉末涂覆、高速氧燃料喷涂(HVOF)和等离子喷涂。二次成型例如可以由填充有微变阻器组合物(参见以下)的颗粒的聚合物来执行,粉末涂覆例如可以是填充有微变阻器组合物颗粒的塑料的涂覆过程,高速氧燃料喷涂(HVOF)和等离子喷涂可以是例如微变阻器组合物本身的喷涂。
另外,涂层包括至少一个微变阻器和/或多个微变阻器。由于该陶瓷粒子在施加较高电应力时变为传导性,所以可以很容易获得所施加的电压与电阻率之间的非线性关系。因此,这样的涂层的效果是通过在置于高电应力下时变为传导性来将电压分级。微变阻器可以是对于本领域技术人员可行的任何微变阻器,有利地,微变阻器是氧化锌,如ZnO。由于这一选择,可以使用具有电流与场的高度非线性关系的材料。
在另外的实施例中,微变阻器和/或多个微变阻器作为填充物被添加到硅橡胶以产生电非线性硅。填充物可以在硅基中具有例如40%体积的含量。这一聚合材料可以通过连接器部件的表面(例如导体引脚)上的二次成型或粉末涂覆来施加。除了已有的传导性层,可以尤其在端区域处施加这一涂层,以具体地控制传导性层的端部处的场。
替选地,可以添加微变阻器和/或多个微变阻器作为填充物到陶瓷材料(例如Bi2O3、MnO、Cr2O3或Sb2O3)。这可以通过涂覆过程(例如HVOF、等离子喷涂)本身来进行。这可以产生涂层的良好的持久性。
根据本发明的另外的方面,应力控制设备和/或涂层连接至表面和/或其中表面是在电流被施加给连接器部件时的爬电表面。由于此,能够去除对于外部应力控制特征的需要。在这一上下文中,爬电表面是沿着存在有电场的表面。
在本发明的替选实施例中,应力控制设备和/或涂层可以与导电层整体形成,因此可以减少件、成本和组装工作。术语“整体形成”应当理解为应力控制设备和传导性层由相同的件、层或涂层来表示或实施。
根据本发明的另外的实施例,提供了一种用于水下使用或在潮湿或在苛刻环境中使用的连接器单元。连接器单元包括凸形部件形状的第一连接器部件和凹形部件形状的第二连接器部件。第一连接器部件或第二连接器部件中的至少一个如以上概述地来配置。特别地,凹形部件,以及优选地凸形部件和凹形部件两者根据以上描述的实施例中的任何实施例来配置。优选地,凹形部件包括至少一个、优选至少两个应力控制设备。
以上描述的本发明的特性、特征和优点以及实现其的方式与结合附图解释的示例性实施例的以下描述相结合变得清楚并且很清楚地理解。
附图说明
本发明的以上定义的方面和另外的方面根据下文中要描述的实施例的示例很清楚,并且参考实施例的示例来解释。下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明,但是本发明不限于此。
图1示意性地示出了在配对之前具有导体引脚和凹形插座并且具有两个发明的应力控制设备的海底连接器单元,
图2示意性地示出了处在配对位置的来自图1的海底连接器单元的部分,
图3示出了图1的第一应力控制设备的前视图,
图4示出了图3的第一应力控制设备的侧视图,
图5示出了沿着线V-V穿过图3的第一应力控制设备的部分,
图6示出了图1的第二应力控制设备的前视图,
图7示出了图6的第二应力控制设备的侧视图,
图8示出了沿着线VIII-VIII穿过图6的第二应力控制设备的部分,
图9示意性地示出了具有凹部的来自图1的凹形插座的部分,
图10示出了图2的配对的连接器电压的电压轮廓,以及
图11示出了具有应力控制设备的替选实施例的处在其配对位置的连接器单元的部分。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。注意,在不同附图中,相似或相同的元件设置有相同的附图标记。
图1示出了用于连接两个连接的部分、如两个海底线缆(未示出)的高压海底连接器单元12,其中连接器单元12包括凸形部件14或导体引脚14以及凹形部件16或凹形插座16形式的两个发明的连接器部件10。导体引脚14和凹形部件插座16都包装在壳体58中,壳体58在凸形部件14和凹形部件16的配对或去除配对过程期间轴向对准。凹形部件插座16位于一个海底线缆的插入前端60处并且包括轴向延伸的孔50,孔50具有用于防止水和灰尘进入凹形部件16的内部的密封件62。凸形部件14位于另一海底线缆的可接受前端64处并且包括可接受引脚组件66。注意,连接器部件14、16不仅可以与线缆一起使用,还可以安装到隔板上或者用在杆状板(stabplate)等上。
为了凸形部件14和凹形部件16的配对,孔50和可接受引脚组件66布置成朝着彼此轴向对准,使得通过在凹形部件16的方向或者移动方向68上移动可接受引脚组件66,可接受引脚组件66可以部分进入凹形部件16的孔50。由于可接受引脚组件66在凹形部件16的孔50中的适当定位,在凸形部件14与凹形部件16的插座触点70之间建立电连接。这一配对位置在图2中示意性地示出,图2描绘在插座触点70的前端72处的海底连接器单元12的部分。
凸形部件14和凹形部件16每个在凸形部件14的情况下包括传导孔形式的电流承载部件74并且在凹形部件16的情况下包括插座触点70。电流承载部件74可以由铜制成。另外,这二者在电流承载部件74周围的圆周方向78上包括由例如绝缘的聚醚醚酮(PEEK)制成的绝缘套76。布置在电流承载部件74和绝缘套76之间,两个部14、16包括连接至连接器单元12的高压部的第一导电层18、18'。凸形部件14和凹形部件16的电流承载部件74被配置成传输高压电功率,例如在大约1000V AC与100000V AC之间的电压电平,特别地在大约10000V AC与80000V AC之间。连接器单元还可以在对应DC电压电平下可操作。
另外,凸形部件14和凹形部件16包括布置在相应绝缘套76的外表面80处的第二传导性层20、20'。第二传导性层20、20'连接至接地连接或者连接器单元12的零电压(0V)部。第二传导性层20、20'可以提供接地屏幕。
传导性层18、18'、20、20'例如可以是金属层,它们可以由例如在铜基本层顶部的钛或高含磷镍制成。通常,还能够提供陶瓷层或传导性塑料层作为传导性层18、18'、20、20'。另外,在被实现为金属层的传导性层18、18'、20、20'的情况下,它们可以具有在1μm到30μm之间并且优选地大约为25μm的厚度。在陶瓷层的情况下,传导性层18、18'、20、20'可以具有大约100μm的厚度。传导性塑料层的厚度是大约2mm到5mm(未示出)。
第一凹形插座16处的第一传导性层18和导体引脚14处的第二传导性层20在层18、20结束的任何地方在高电应力的操作区期间创建,这引起应力集中。传导性层18、20的这些区域在以下文本中称为第一端区域22(凹形插座16处的层18的端部)和第二端区域24(导体引脚14处的层20的端部)。因此,这些端区域22、24在凸形部件14和凹形部件16的配对之后受到电应力。
为了减小或最小化这些端区域22、24处的应力集中,连接器部件10包括至少在凸形部件14和凹形部件16的配对位置的经由端区域22、24物理地和电连接至导电层18、20之一的应力控制设备26、28。具体地,第一应力控制设备26连接至凹形插座16的传导性层18的端区域22(第一传导性层18的第一端区域22),并且因此连接至连接器单元12的高压部。第二应力控制设备28连接至凸形引脚14的传导性层20的端区域24(第二传导性层20的第二端区域24),并且因此经由若干中间部件94、96、98(参见以下)连接至连接器单元12的零电压部。
第一应力控制设备26在图3到5中示出并且第二应力控制设备28在图6到8中示出,其中图3和6示出了相应应力控制设备26、28的前视图,图4和7示出了相应应力控制设备26、28的侧视图,并且图5和8是图3或6的相应应力控制设备26、28的分别沿着线V-V或VIII-VIII的部分。
每个应力控制设备26、28包括具有传导部件38、绝缘模制件40和紧固结构42的部件组件82,传导部件38由传导弹力材料、特别是传导硅橡胶制成,绝缘模制件40由绝缘弹力材料、特别是绝缘硅橡胶制成,紧固结构42由铝制成(参见图5和8)。绝缘模制件40基本上在传导部件38周围模制。具体地,第一应力控制设备26的传导部件38具有在应力控制设备26的径向方向32上延伸并且在凹形部件16的组装状态下朝着凹形插座定向的打开的侧面部分84。
第二应力控制设备28的传导部件38完全嵌入在绝缘模制件40中(除了其中紧固结构42穿过绝缘模制件40的部分)。因此,绝缘模制件40在连接器单元12的组装状态下将传导部件38与电介质液体、诸如填充孔50的绝缘油86分离。
在两个应力控制设备26、28的情况下,传导部件38和绝缘模制件40被模制到相应紧固(或支承)结构42上。首先,第一传到部件38模制到紧固结构42上,之后绝缘模制件40模制到传导部件38上,从而绝缘模制件40经由传导部件38连接至紧固结构42。
第一应力控制设备26的紧固结构42沿着轴向方向34或者基本上垂直于第一应力控制设备26的径向方向32从传导部件38的侧截面84延伸。另外,第一应力控制设备26的紧固结构42具有在紧固结构42的圆周方向78上延伸并且在组装状态下径向面朝插座触点70以将第一应力控制设备26连接至插座触点70的沟槽88(参见图1和5)。
另外,第二应力控制设备28的紧固结构42在第二应力控制设备28的径向方向32上从传导部件38的平面径向外部侧面90延伸并且在组装状态下朝着凹形部件16的套76突出。另外,第二应力控制设备28的紧固结构42具有多个孔径92,多个孔径92在圆周方向78上延伸并且用于将第二应力控制设备28连接至凹形插座16的绝缘套76(参见图1和8)。这一连接经由将紧固结构42连接至凹形插座16的金属部件96的中间件94、如弹簧(未示出)来促进。这一部件96又连接至凹形插座16的金属本体98,金属本体98连接至接地(0V)。
因此,紧固结构42可以用于固定和支承弹性部件(传导性部件38、绝缘模制件40)。或者换言之,应力控制设备26、28经由相应紧固结构42安装或附接至凹形部件16。
传导性部件38、绝缘模制件40和紧固结构42全部实施为弹簧48。因此,第一应力控制设备26和第二应力控制设备28每个具有圆形结构48(即,它们具有环形形状)。在凹形部件14的组装状态下,环48或圆形结构48关于连接器单元12的轴线36同轴布置(参见图1)。
第一应力控制设备26和第二应力控制设备28在凹形部件16的孔50中沿着连接器单元12的轴向方向34一个接一个地布置。具体地,第一应力控制设备26布置在插座触点70的前端72处,第二应力控制设备28布置成进一步朝着凹形部件16的孔50的开口52。
第二应力控制设备28的内径d(稍微)小于导体引脚14的外径D。因此,在凸形部件14和凹形部件16的配对位置,第二应力控制设备28与引脚组件66的外表面物理接触,其可以被认为是经由“压装配”连接至凸形部件14(参见图1)。装配使得能够将凸形部件插入连接器单元的凹形部件中/将凸形部件从连接器单元的凹形部件去除而没有施加过多的力。在配对位置,电介质液体因此从传导性层20在此在引脚组件66的绝缘套76上结束的端区域24被移位,从而避免电介质液体中的高电应力以及电介质液体的破坏。
另外,第二应力控制设备28的内径d小于第一应力控制设备26的内径d。因此,第一应力控制设备26相对于凸形引脚14布置有空隙(即,第一应力控制设备26与引脚组件66之间在配对状态下可以存在环形空间)。另外,应力控制设备26的外径D大于凹形插座16的绝缘套76的内径d。因此,第一应力控制设备26在组装期间必须被按压到插座绝缘套76中(即其可以通过压装配安装在其中)。这些压装配将确保绝缘油86从传导性层18、20的端区域22、24周围的高应力区域被排斥。
凹形插座16的绝缘套76内还存在圆形径向凹部100。凹部100的表面被电镀(第一传导性层18的部分)并且具有突出部102或鼻部,突出部102或鼻部在轴向方向34上延伸远离第一应力控制设备26并且在第一传导性层18的端区域22上进一步延伸。这一凹部100的功能是,可以将第一传导性层18的端区域22隐藏在突出部102下面,从而进一步减小在第一传导性层18的段区域22处的应力(参见图9)。
为了最小化高应力集中在端区域22、24处的发生,应力控制设备26、28的传导性部件38具有具体成形的轮廓44。这一轮廓44分别是锥形轮廓44或圆锥44,其中逐渐且圆锥形的锥形46延伸远离相应导电层18、20的相应端区域22、24(参见图1和2)。在其配对位置的连接器单元12的操作期间,通过高压区域与0V区域之间的各种绝缘介质的电压增加。
由于传导性部件38的所提供的逐渐圆锥形锥形46及其所选择的定向,应力控制设备26、28以如下方式实施:该方式使得在凸形部件14和凹形部件16的配对位置建立在相应第一导电层18,18'与相应第二导电层20,20'之间的具有不同电势的区域30、30'、30”、30”'关于连接器单元12的轴线36在径向方向32和轴向方向34上均匀地分布,从而减小应力。这在图10中描绘,在图10中,示意性地示出了4个区域30、30'、30”、30”'并且应力控制设备26、28用虚线示出并且其他部分为了清楚仅用其轮廓来描绘。
特别地,第一和第二应力控制设备26、28、特别是其相应传导性部件38被布置和成形以减小相应端区域22、24中的电场的等势场线的密集(电应力集中)。
通常,还有可能的是,应力控制设备之一或二者可以包括至少一个电非线性材料(未示出)。这使得应力控制设备能够对在期望正常操作条件之外的负载做出反应,这用于减小不期望的污染物周围的场或者对连接器部件件或其接触引脚的破坏。材料属性的这一适应性性质还在负载、诸如脉冲电压下帮助连接器单元。
在图11中,示出了应力控制设备26、28的替选示例性实施例。相同的部件、特征和功能用相同的附图标记表示。然而,为了区分图11与图1到10的示例性实施例,已向在图11的示例性实施例中不同地设计的部件的附图标记添加字母“a”。以下描述基本上限于与图1到10的示例性实施例相比的这些差异,其中关于相同的部件、特征和功能,参考图1到10中的示例性实施例的描述。
图11示出了应力控制设备26、28的替选实施例。图11的应力控制设备26、28与图1到10的应力控制设备26、28的不同之处在于,其被实施为由非线性材料制成的或者至少包括非线性材料的涂层54、54'。
在图11中,示出了海底连接器单元12在其配对位置的部分。未配对位置类似地实施为如图1中所示而没有应力控制设备26、28的部件组件82。
连接器单元12包括凸形部件14和凹形部件16形式的两个连接器部件10。凹形插座16位于第一未示出海底线缆的插入前端60处并且包括具有用于防止水和灰尘进入凹形部件16的内部的轴向延伸的密封件的孔50。凸形部件14位于第二未示出海底线缆的可接受前端64处并且包括可接受引脚组件66。在凸形部件14和凹形部件16的配对期间,可接受引脚组件66部分进入凹形部件16的孔50。由于可接受引脚组件66在凹形部件16的孔50中的适当定位,在凸形部件14与凹形部件16的插座触点70之间建立了电连接。这一配对位置在图11中示意性地示出。
凸形部件14和凹形部件16每个包括电流承载部件74和在电流承载部件74周围的在圆周方向78上延伸的绝缘套76。布置在电流承载部件74和绝缘套76之间,两个部14、16包括连接至连接器单元12的高压部的第一导电层18、18'。另外,凸形部件14和凹形部件16包括布置在相应绝缘套76的外表面80处的第二传导性层20、20'。第二传导性层20、20'连接至连接器单元12的零电压(0V)部。
第一凹形插座16处的第一传导性层18和导体引脚14处的第二传导性层20在镀层结束的任何地方在高电应力的操作区域期间创建,这引起应力集中。传导性层18、20的这些区域在以下文本中称为第一端区域22(凹形插座16处的层18)和第二端区域24(导体引脚14处的层20)。因此,这些端区域22、24在凸形部件14和凹形部件16的配对之后受到电应力。
为了减小或最小化这些端区域22、24处的应力集中,连接器部件10包括至少在凸形部件14和凹形部件16的配对位置的经由端区域22、24物理地和电连接至导电层18、20之一的应力控制设备26a、28a。具体地,第一应力控制设备26a连接至凹形插座16的传导性层18的端区域22(第一传导性层18的第一端区域22),并且因此连接至连接器单元12的高压部,并且第二应力控制设备28a连接至凸形引脚14的传导性层20的端区域24(第二传导性层20的第二端区域24),并且因此连接至连接器单元12的零电压部。另外,每个应力控制设备26a、28a连接至作为在向连接器部件10施加电流时的爬电表面56的表面56。具体地,涂层被施加在爬电表面56上。根据本实施例,传导性层18、20以及应力控制设备26a、28a被实施为彼此单独的件(参见图11的上半部)。
两个应力控制设备26a、28a实施为涂层54。应力控制设备26a、28a或涂层54包括多个微变阻器形式的电非线性材料,其中微变阻器是氧化锌(ZnO)。涂层54在图11的上半部中示例性地示出为增强的粗的线用于更好地呈现而非按比例绘制。通常,涂层54至少以这样的比例布置/施加以减小连接器单元12的电应力。为此,涂层54的表面和所需要的比例由本领域技术人员根据其在本领域的知识来判定。
因此,如果涂层54处出现高的电应力,则微变阻器粒子变为传导性的。因此,这样的涂层54的作用是通过在被置于高电应力下时变为传导性来对电压分级。由于这样实施的应力控制设备26a、28a,在凸形部件14和凹形部件16的配对位置建立在第一导电层18、18'与第二导电层20、20'之间的具有不同电势的区域关于连接器单元12的轴线36(未示出,但是类似于图10中的描绘)在径向方向32上和轴向方向34上基本上均匀地分布。
可以用若干方式将应力控制设备26a、28a应用到连接器部件10。
第一可能性可以是通过合成具有氧化锌微变阻器填充物的聚合材料。这一聚合材料然后可以通过二次成型或粉末涂覆来施加在连接器部件的表面(爬电表面56)、例如导体引脚14。除了现有的传导性层18、20可以施加这一涂层54,以具体地控制镀层的段区域22、24处的场。
第二可能性是,涂层可以沿着连接器部件的整个轴向长度施加,例如导体引脚(未示出)。这与上述涂覆技术相比可以更容易制造。
第三可能性是,使用通常用于陶瓷材料(例如高速氧燃料喷涂(HVOF)或等离子喷涂)的涂覆技术施加涂层。这一技术的处理参数用如下方式来修改和施加:该方式使得能够保护微变阻器结构或者能够在施加过程期间创建微变阻器。为了创建微变阻器,必须用如下方式来处理氧化锌和添加陶瓷(例如Bi2O3、MnO、Cr2O3、Sb2O3):该方式使得能够沿着爬电长度或者连接器部件的整个表面创建变阻器结构(未示出)。
另外地或者替选地,至少一个应力控制设备26a、28a能够与导电层18、20中的至少一个整体形成。因此,涂层54'在正常操作条件下可以具有到第一程度的传导性并且一旦电压达到嵌入式非线性材料的门限则变为到更高程度的传导性。涂层54'在图11的下半部示例性地示出作为增强的粗的线以用于更好的呈现,而非按比例绘制。
通常,还可行的是,将在图1到10的实施例中描述的至少一个部件组件82与来自图11中描述的实施例的涂层54、54'组合。例如,能够结合来自图1到10的部件组件82使用根据图11中描述的本发明的第二实施例的包括非线性材料的传导性层18、20或涂层54'(未示出)。
应当注意,术语“包括(comprising)”不排除其他元件或步骤,并且“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。另外,可以组合与不同实施例相关联地描述的元素。还应当注意,权利要求中的附图标记不应当被理解为限制权利要求的范围。
虽然通过优选实施例详细说明和描述了本发明,然而本发明不受所公开的示例的限制,本领域技术人员根据其可以得到其他变型而没有偏离本发明的范围。
Claims (24)
1.一种具有凸形部件(14)和凹形部件(16)的连接器单元(12)的连接器部件(10),包括至少一个导电层(18,20),所述至少一个导电层(18,20)包括在所述凸形部件(14)和所述凹形部件(16)的配对过程之后受到电应力的至少一个端区域(22,24),
其特征在于,用于减小所述至少一个端区域(22,24)处的电应力的至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)。
2.根据权利要求1所述的连接器部件,
其中所述至少一个导电层(18,20)包括连接至所述连接器单元(12)的高压部的第一导电层(18,18')以及连接至接地或所述连接器单元(12)的零电压部的至少第二导电层(20,20')。
3.根据权利要求2所述的连接器部件,其中所述连接器部件包括电流承载部件(74)和在所述电流承载部件(74)周围的绝缘套(76),其中所述第一导电层(18,18')的至少一部分设置在所述绝缘套(76)的内部上并且其中所述第二导电层(20,20')的至少一部分设置在所述绝缘套(76)的外部上。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,其中所述至少一个导电层(18,20)包括第一导电层(18,18')和至少第二导电层(20,20'),
其中所述应力控制设备(26,26a;28,28a)以如下方式被实施,使得在所述凸形部件(14)和所述凹形部件(16)的配对位置处在所述第一导电层(18,18')与所述第二导电层(20,20')之间建立的具有不同电势的区域(30,30',30”,30”')关于所述连接器单元(12)的轴线(36)在径向方向(32)和轴向方向(34)上均匀地分布。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,其中所述应力控制设备(26,26a;28,28a)通过到所述传导性层(18,20)的所述端区域(22,24)的物理接触、特别是电接触而至少布置在所述凸形部件(14)和所述凹形部件(16)的配对位置处。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26,26a;28,28a)包括至少一个传导部件(38)、至少一个绝缘模制件(40)和至少一个紧固结构(42)。
7.根据权利要求6所述的连接器部件,其中所述连接器部件是所述凹形部件(16),其中所述至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)包括安装在所述凹形部件(16)的孔(50)中的第一应力控制设备(26,26a),
其中所述第一应力控制设备(26,26a)具有环形形状使得所述凸形部件(14)的引脚(66)能够插入穿过,
其中所述第一应力控制设备(26,26a)的所述绝缘模制件(40)提供与所述凹形部件(16)的绝缘套(76)物理接触的径向面朝外的表面。
8.根据权利要求6或7所述的连接器部件,其中所述连接器部件是所述凹形部件(16),其中所述至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)包括安装在所述凹形部件(16)的孔(50)中的第二应力控制设备(28,28a),
其中所述第二应力控制设备(28,28a)具有环形形状使得所述凸形部件(14)的引脚(66)能够插入穿过,所述第二应力控制设备(28,28a)被成形使得所述绝缘模制件(40)在所述配对位置与所述凸形部件(14)的所述引脚(66)的外表面物理接触。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的连接器部件,
其中所述传导部件(38)具有选自包括金属、聚合物、弹性体、橡胶和硅橡胶的组的材料,和/或
其中所述绝缘模制件(40)具有选自包括聚合物、软聚合物、橡胶和硅橡胶的组的材料,和/或
其中所述紧固结构(42)具有选自包括金属、不锈钢和铝的组的材料。
10.根据权利要求6-9中的任一项所述的连接器部件,
其中所述传导部件(38)具有特别是圆锥(44)形状的锥形轮廓(44),其中锥形(46)延伸离开所述导电层(18,20)的所述端区域(22,24)。
11.根据权利要求6-10中的任一项所述的连接器部件,
其中所述绝缘模制件(40)部分或完全模制在所述传导部件(38)周围。
12.根据权利要求6-11中的任一项所述的连接器部件,其中所述应力控制设备(26,28)的所述传导部件(38)以及应力所述绝缘模制件(40)和所述紧固结构(42)每个被实施为环(48),其中优选地,所述环(48)关于所述连接器单元(12)的纵向轴线(36)同轴地布置。
13.根据权利要求6-12中的任一项所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26,28)经由所述紧固结构(42)附接至所述凹形部件(16)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,
其中所述至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)包括第一应力控制设备(26,26a)并且所述至少一个端区域(22)包括第一导电层(18)的第一端区域(22),并且其中所述至少一个应力控制设备(26,26a;28,28a)还包括至少第二应力控制设备(28,28a)并且所述至少一个端区域(24)还包括至少第二导电层(20)的第二端区域(24)。
15.根据权利要求14所述的连接器部件,其中在每个端区域(22,24)处,应力控制设备(26,26a;28,28a)物理地、特别是电地连接至导电层(18,20)。
16.根据权利要求14或15所述的连接器部件,其中所述第一导电层(18)布置在所述凹形部件(16)处并且连接至所述连接器单元(12)的高压部,并且所述第二导电层(20)布置在所述凸形部件(16)处并且连接至所述连接器单元(12)的零电压部。
17.根据权利要求14-16中的任一项所述的连接器部件,其中所述第一应力控制设备(26)和所述第二应力控制设备(28)在所述连接器单元(12)的轴向方向(34)上一个接一个地布置在所述凹形部件(16)的孔(50)中。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,
其中所述连接器部件(10)被实施为所述凹形部件(16)。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26,26a;28,28a)包括至少一个电非线性材料。
20.根据权利要求19所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26a,28a)包括涂层(54)或由涂层(54)组成,其中优选地,所述涂层(54)通过以下方法之一来施加:二次成型、粉末涂覆、高速氧燃料喷涂(HVOF)和等离子喷涂。
21.根据权利要求20所述的连接器部件,
其中所述涂层(54)包括至少一个微变阻器和/或多个微变阻器和/或其中所述微变阻器是氧化锌,具体是ZnO。
22.根据权利要求19-21中的至少一项所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26a,28a)连接至表面(56)和/或其中所述表面(56)是在向所述连接器部件(10)施加电流时的爬电表面(56)。
23.根据权利要求19-22中的至少一项所述的连接器部件,
其中所述应力控制设备(26a,28a)与所述导电层(18,20)整体形成。
24.一种用于水下或者在潮湿或在苛刻环境中使用的连接器单元,包括凸形部件形状的第一连接器部件和凹形部件形状的第二连接器部件,其中所述第一连接器部件或所述第二连接器部件中的至少一个根据权利要求1-23中的任一项来配置。
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