CN106605457B - 压力补偿水下电气系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种压力补偿水下电气系统(5a，5b，c，5d，5e)。该压力补偿水下电气系统包括填充有电介质液体(12)的壳体(8)。该壳体具有彼此压力连通的第一壳体部分(8a)和第二壳体部分(8b)。第一壳体部分包括变压器(3)，并且第二壳体部分包括功率转换器(4)。该压力补偿水下电气系统包括布置成补偿壳体内的压力的压力补偿器(2)。该压力补偿器能够补偿第一壳体部分和第二壳体部分两者中的压力。

Description

压力补偿水下电气系统

技术领域

本发明涉及水下电气系统，并且具体地涉及压力补偿的水下电气系统。

背景技术

一般来说，水下电设施和设备通常要求关于耐久性、长期功能性和操作期间的独立性的高标准。在操作期间需要被冷却的水下电设施(例如水下转换器)需要对其部件进行自主的且持久的冷却。已知使用低压缩性的电介质液体，例如矿物油作为冷却流体。电介质流体还可以由天然或合成的酯组成。一般来说，电介质流体用于提供压力补偿环境，并且还用作放置在电气设施中的电气部件(例如电容器单元)的电绝缘介质。因此，电力电子水下设备(例如水下转换器)的罐通常填充有油，其充当组合的电绝缘介质和冷却介质。油从内部转换器部件接收热量并且通过罐壁或通过热交换器将其传递到海水。

在一些情况下，罐设置有压力补偿系统，使得内部压力接近或等于外部压力。包括这种压力补偿系统的装置将在下文中称为压力补偿装置。与没有压力补偿系统的罐(诸如作为水下电气系统的一部分)相比，提供压力补偿系统对罐壁施加明显较小的压力。例如，3000米深处的压力为300巴(bar)。

通常，功率转换器需要几个与变压器的电连接。已知的水下电力系统通常将功率转换器和变压器定位在具有单独的压力补偿系统的单独的罐中，并且具有用于电耦合的湿连接。

图1示意性地示出了这种已知的压力补偿水下电气系统1a。该压力补偿水下电气系统1a包括具有变压器3的第一罐和具有功率转换器4的第二罐。罐通过连接件连接。每个罐填充有电介质流体12并且具有其自己的单独的压力补偿系统2a、2b。

WO 2008/055515(特别参见其中的图3)描述了位于一个液密壳体内的转换器和变压器。根据WO 2008/055515，转换器位于另一个液密壳体内，因此它们之间没有流体连通。

EP2579438(特别参见其中的图6)公开了转换器和变压器，但没有提及流体连通。

从现有技术(例如在WO 2008/055515中)已知的是压力补偿水下电气系统，其中液体填充的转换器罐被放置在也容纳变压器的主容器内。图2示意性地示出了这种已知的压力补偿水下电气系统1b。因此，水下电气系统1b包括填充有电介质流体12的第一罐，其包括变压器3并且具有压力补偿系统2a。第一罐又包括第二罐。第二罐也填充有电介质流体12，其包括功率转换器4并且具有压力补偿系统2b。

一般来说，功率转换器具有高热损耗，但是需要低温以便有效地操作。罐壁表面通常不足以实现所需的冷却。该表面能够通过使用罐波纹、散热片或外部热交换器来延伸，但是这增加了压力补偿水下电气系统的成本和重量。另一方面，变压器对高温不太敏感。

EP2717401A1涉及水下电气功率系统。水下电气功率系统包括第一水下电气设备和第二水下电气设备，第一水下电气设备具有第一水下外壳，第二水下电气设备具有第二水下外壳。第一水下电气设备和第二水下电气设备安装在公共框架上。在第一水下外壳和第二水下外壳之间设置管道。

鉴于上述，仍然需要一种包括变压器和功率转换器的改进的压力补偿水下电气系统。

发明内容

本文的实施例的目的是提供包括变压器和功率转换器的有效的压力补偿水下电气系统。

特别地，根据第一方面，提供了一种压力补偿水下电气系统。压力补偿水下电气系统包括填充有电介质液体的壳体。该壳体具有彼此压力连通的第一壳体部分和第二壳体部分。第一壳体部分包括变压器，第二壳体部分包括功率转换器。压力补偿水下电气系统包括布置成补偿壳体内的压力的压力补偿器。压力补偿器能够补偿第一壳体部分和第二壳体部分两者中的压力。

将水下功率转换器和水下变压器放置在填充有电介质液体的共享壳体中具有许多优点和技术效果。

有利地，仅需要一个压力补偿系统。

有利地，不需要水下功率转换器和水下变压器之间的湿连接。

有利地，壳体将具有能够用于降低功率转换器工作温度的大表面。

有利地，壳体能够竖直地延伸以改善电介质液体的自然对流。

有利地，这允许将温度敏感部件放置在冷环境中。

有利地，水下变压器能够被定位成使得变压器损耗产生有助于冷却水下功率转换器的电介质液体的自然对流。这能够通过将变压器定位在功率转换器上方或通过经由隔板提供冷却通道来实现。

有利地，能够减小半导体装置内的温度梯度和绝对温度。

所附实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开内容、从所附从属权利要求以及从附图中变得显而易见。

一般来说，权利要求中使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有引用，将被公开地解释为指元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。除非明确说明，本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

现在参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：

图1和图2示意性地示出了根据现有技术的压力补偿水下电气系统；

图3、图4、图6、图8和图9示意性地示出了根据实施例的压力补偿水下电气系统；

图5和图7示意性地示出了根据实施例的用于压力补偿水下电气系统中的变压器和功率变换器部件的布置。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元件。

用于电气设备，特别是用于水下电气系统的冷却系统用于冷却电气部件，例如变压器、功率转换器、功率电子构件块、半导体模块、连接件和电容器单元。这些电气部件产生需要由冷却系统耗散的热量。水下电气系统的冷却系统通常以简单的方式设计，避免任何不必要的部件和机构。通常，期望具有被动冷却系统，因此没有任何驱动或动力部件(例如没有泵)的冷却系统来冷却电气设备。在一些情况下，使用自然对流。通过自然对流的冷却使用从冷却液体到周围海水的热传递，以在冷却系统内产生循环并且因此在电气系统内产生循环。

现在参考图3至图9。图3、图4、图6、图8和图9是示出根据实施例的压力补偿水下电气系统的横截面侧视图。图5和图7示意性地示出了根据实施例的用于压力补偿水下电气系统中的变压器和功率变换器部件的布置。

一般来说，提供了一种压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e。

压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e包括壳体8。壳体8可以是罐。壳体8填充有电介质液体12。电介质液体12可以是油。壳体8具有第一壳体部分8a和第二壳体部分8b。第一壳体部分8a和第二壳体部分8b彼此压力连通。压力连通可以是流体连通。第一壳体部分8a包括变压器3，第二壳体部分8b包括功率转换器4。

压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e还包括压力补偿器2。压力补偿器2被布置成补偿壳体8内的压力。压力补偿器2能够补偿第一壳体部分8a和第二壳体部分8b两者中的压力。

这种压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e的特定优点和技术效果已经在上面概述。特别地，对于第一壳体部分8a和第二壳体部分8b，仅需要由压力补偿器2限定的一个压力补偿系统。

在使用中，诸如变压器3和功率转换器4的电气组件产生热量。一般来说，对于一些电组件，增加的温度是常见的应力因子。在水下环境中，例如在需要高可靠性的水下电气系统中，因此应将热应力限制到最小。在电气部件中，在操作期间消耗能量。该能量被传导到电气部件的外壁，在那里被传输到周围环境，例如传输到围绕电气部件的电介质液体12。热从电介质液体12传递到周围的水中。更详细地，来自电介质液体12的热量被传递到壳体8的壁并且从那里传递到壳体8周围的水中。电气部件的有效冷却使得能够限制电气部件热点温度。

现在将描述这种压力补偿水下电气系统的特定可选特征。

第一壳体部分8a可以包括用于传递来自功率转换器4的热量的罐壁8c。罐壁8c可以包括波纹或散热片。

可以有不同的方式提供在壳体8中的第一壳体部分8a和第二壳体部分8b。例如，壳体8可以进一步包括至少一个隔板9。至少一个隔板9可以布置在功率转换器4和变压器3之间。这种压力补偿水下电气系统5d和5e的示例在图8和图9中示意性地示出。

对于这种压力补偿水下电气系统5d和5e，压力连通可以包括在至少一个隔板9中的至少一个通孔10。这种压力补偿水下电气系统5e的示例在图9中示意性地示出。可选地，至少一个隔板9用作引导件，用于引导电介质液体在第一壳体部分8a和第二壳体部分8b之间的流动。这种压力补偿水下电气系统5d的示例在图8中示意性地示出。

通孔(或多个通孔)的尺寸可以不同。例如，该至少一个通孔具有至少1平方厘米的总横截面。因此，所有通孔的总横截面可以为至少1平方厘米。

可以有不同的方式来提供变压器3和功率转换器4之间的电连接。例如，至少一个电连接7可以穿过至少一个隔板9中的至少一个通孔10，用于电连接功率转换器4和变压器3。这种压力补偿水下电气系统5e的示例在图9中示意性地示出。

可以存在不同的方式相对于彼此来布置功率转换器4和变压器3。例如，变压器3和功率转换器4可以被布置为使得在使用中，变压器3被布置在功率转换器4上方的垂直位置。这种压力补偿水下电气系统5c的示例在图6中示意性地示出。例如，变压器3和功率转换器4可以布置成使得在使用中，变压器3布置在两个功率转换器4之间的水平位置。这种压力补偿水下电气系统5b的示例在图4中示意性地示出。

可以有不同的方式来提供功率转换器4和变压器3的冷却。例如，压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e可以包括电介质液体12流过的冷却回路11。冷却回路12至少包围功率转换器4和变压器3。这些压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e的示例在图3、图4、图6、图8和图9中示意性地示出。

可以存在不同的方式来沿着冷却回路11布置功率转换器4和变压器3。例如，功率转换器4和变压器3可以沿着冷却回路11串联连接。电介质液体12在冷却回路12中的流动可以至少部分地由自然对流驱动。此外，变压器3和功率转换器4可以相对于冷却回路11布置，使得电介质液体12的流动由变压器3中的热损耗引起，并且至少部分地用于冷却功率转换器4。

压力补偿水下电气系统可以进一步包括热交换器6。热交换器6可以设置在壳体8的外壁上。这种压力补偿水下电气系统5d的示例在图8中示意性地示出。热交换器6可以被布置成从第一壳体部分8a接收电介质液体12并且向第二壳体部分8b提供电介质液体12。

现在将参照图3至图9描述涉及至少一些以上公开的压力补偿水下电气系统的特定实施例。

根据第一实施例，如图3所示，压力补偿水下电气系统5a可以包括在同一壳体8中的功率转换器4和变压器3，其中冷却流被混合，使得壳体8的大表面能够用于部分地冷却功率转换器3。此外，将变压器3和功率转换器4放置在共享壳体中仅需要一个压力补偿器2。

根据压力补偿水下电气系统5b的第二实施例，如图4所示，功率转换器4的组成单元安装在变压器3周围，从而实现非常紧凑的布置。一般来说，本文提供的实施例建立机械和电气设计的大的灵活性，使得设备能够被制造得非常紧凑。仅需要一个压力补偿器2。图5示意性地示出了根据图4的实施例的压力补偿水下电气系统5b中使用的变压器3和功率转换器4的部件的布置。因此，通过概括图5的实施例，提供了一种水下电气系统中使用的变压器3和功率转换器4的部件的布置，其中变压器3和功率转换器4的部件被布置为使得在使用中变压器3被布置在两个功率转换器4之间(或一个功率转换器的两个部件之间)的水平位置。

根据第三实施例，如图6所示，其中压力补偿水下电气系统5c的变压器3已经垂直地定位在功率转换器4之上，使得变压器损耗引起电介质液体12的自然对流，这有助于冷却功率转换器4。仅需要一个压力补偿器2。图7示意性地示出了用于根据图6的实施例的压力补偿水下电气系统5c中的变压器3和功率转换器4的部件的布置。因此，通过概括图7的实施例，提供了一种在水下电气系统中使用的变压器3和功率转换器4的部件的布置，其中变压器3和功率转换器4的部件被布置成使得在使用中变压器3被布置在功率转换器4(的部件)上方的竖直位置。

根据第四实施例，如图8所示，变压器损耗引起有助于冷却功率转换器4的自然对流。与图6的实施例相反，通过引导电介质液体12的流动通过由分离的壁9形成的管道，来实现根据本实施例的压力补偿水下电气系统5d的自然对流。此外，根据本实施例，压力补偿水下电气系统5c具有包括外部热交换器6的共享冷却循环。引导电介质液体12的流动，使得变压器3中的损耗引起通过功率转换器4的自然对流。仅需要一个压力补偿器2。

根据第五实施例，如图9所示，还可以设计压力补偿水下电气系统5e，使得变压器3和功率转换器4各自具有它们自己的单独的冷却循环，并且使用壳体表面的不同部分以向周围海水传热。变压器3和功率转换器4由隔板9隔开，以保持它们之间的热传递有限。在隔板9中可以有小的通孔10，使得电介质液体12处于压力连通并且仅需要一个压力补偿器12。通孔10还可以用于使得能够在变压器3和功率转换器4之间建立电连接7。

上面主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了所公开的实施例以外的其它实施例在由所附专利权利要求限定的本发明的范围内同样是可能的。例如，虽然油已经被用作电介质液体12的示例，但是应当理解，可以使用任何适合的电介质液体12。例如，虽然参考了单个功率转换器4，但是本文公开的任何压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e可以包括多个功率转换器4。

此外，尽管参考了压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e，根据一个方面，还提供了一种水下转换器。这种水下转换器可以包括本文公开的压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e的任何部件或特征。因此，水下转换器可包括填充有电介质液体12的壳体8，其中壳体具有彼此压力连通的第一壳体部分8a和第二壳体部分8b，其中第一壳体部分包括变压器3，以及其中第二壳体部分包括功率转换器4。因此，水下转换器还可包括布置成补偿壳体内的压力的压力补偿器2，其中压力补偿器能够补偿第一壳体部分和第二壳体部分两者中的压力。因此，水下转换器还可以包括本文公开的压力补偿水下电气系统5a、5b、5c、5d、5e的任何可选部件或特征。

Claims (10)

1.一种压力补偿水下电气系统(5a，5b，5c，5d，5e)，包括：

填充有电介质液体(12)的水下壳体(8)，所述水下壳体具有彼此压力连通的第一壳体部分(8a)和第二壳体部分(8b)，所述第一壳体部分包括变压器(3)，并且所述第二壳体部分包括功率转换器(4)；

压力补偿器(2)，被布置成补偿所述水下壳体内的压力，以抵消所述水下壳体周围的液体介质的外部压力，其中所述压力补偿器能够补偿所述第一壳体部分和所述第二壳体部分两者中的压力；以及

所述电介质液体流过的冷却回路(11)，所述冷却回路包围所述功率转换器和所述变压器，所述变压器被布置在所述功率转换器直接上方的竖直位置，以使所述电介质液体的流动通过所述变压器的热损耗而生成并且冷却所述功率转换器。

2.根据权利要求1所述的压力补偿水下电气系统，其中所述压力连通为流体连通。

3.根据权利要求2所述的压力补偿水下电气系统，其中所述第一壳体部分包括用于传递来自所述功率转换器的热量的罐壁(8c)。

4.根据权利要求1所述的压力补偿水下电气系统，其中所述第一壳体部分包括用于传递来自所述功率转换器的热量的罐壁(8c)。

5.根据权利要求4所述的压力补偿水下电气系统，其中所述罐壁包括波纹或散热片。

6.根据权利要求1所述的压力补偿水下电气系统，其中所述功率转换器和所述变压器沿着所述冷却回路串联连接。

7.根据权利要求6所述的压力补偿水下电气系统，其中所述电介质液体在所述冷却回路中的流动至少部分地由自然对流驱动。

8.根据权利要求7所述的压力补偿水下电气系统，其中所述变压器和所述功率转换器相对于所述冷却回路布置，使得所述电介质液体的流动由所述变压器中的热损耗引起，并且至少部分地用于冷却所述功率转换器。

9.根据权利要求6所述的压力补偿水下电气系统，其中所述变压器和所述功率转换器相对于所述冷却回路布置，使得所述电介质液体的流动由所述变压器中的热损耗引起，并且至少部分地用于冷却所述功率转换器。

10.根据权利要求1所述的压力补偿水下电气系统，其中所述功率转换器包括单元，以及所述变压器包括多个部件，并且其中所述变压器的部件中的每个部件与所述功率转换器的所述单元的相应部分对准。