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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft insgesamt elektrische Tauchpumpenanordnungen für eine unterirdische Bohrlochförderung, insbesondere einen Verbinder zur Verbindung eines Stromkabels mit einem Motoranschluss der Pumpenanordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Tauchpumpensysteme werden oft bei Kohlenwasserstoff fördernden Bohrlöchern zum Pumpen von Fluiden aus dem Inneren des Bohrlochs zu der Oberfläche verwendet. Diese Fluide sind im Allgemeinen Flüssigkeiten und enthalten sowohl geförderten flüssigen Kohlenwasserstoff als auch Wasser. Eine Art eines Systems, das bei dieser Anwendung benutzt wird, verwendet ein elektrisches Tauchpumpensystem (ESP). Ein bekannter Typ eines ESP umfasst eine Zentrifugalpumpe, die an einem Rohrstrang innerhalb eines Casings des Bohrlochs aufgehängt ist. Die Pumpe wird durch einen Bohrlochelektromotor angetrieben, normalerweise einen Typ mit Dreiphasen-Wechselstrom. Eine Stromleitung erstreckt sich für eine Stromversorgung von einer Stromquelle an der Oberfläche längs des Steigrohrs zu dem Motor.
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Die Stromleitung besteht typischerweise aus zwei Abschnitten, einem Motoranschluss und einem Stromkabel. Der Motoranschluss weist an seinem unteren Ende einen Stecker auf, der an einer Aufnahme an dem oberen Ende des Elektromotors befestigt ist, die als ”Pothead” bekannt ist. Das andere Ende des Motoranschlusses ist mit einem Stromkabel mittels eines Spleißverbinders oder einer anderen Art von Verbinder verbunden.
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Bei einigen Bohrlöchern kann die Bohrlochumgebung ziemlich rau sein, mit hohen Temperaturen und Drücken und korrosiven Bohrlochfluiden. Momentane Spleißmittel oder -materialien, die bei der existierenden Technik verwendet werden, können jedoch nicht fähig sein, den rauen Umgebungen in solchen Bohrlöchern zu widerstehen. Wenn sich diese Materialien verschlechtern, können Bohrlochfluide in die Verbindung eintreten und es kann sich ein Kurzschluss ergeben, der ein Herausziehen und Ersetzen der Pumpenanordnung erfordern würde. Aus eben diesen Gründen wäre es für eine Verbindung wünschenswert, so wenig wie möglich Elastomer-, Epoxid- und vergießbare Materialien aufzuweisen.
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Zusätzlich sorgt die hohe Temperatur des Bohrlochs dafür, dass die Komponenten des Verbinders sich ausdehnen. Die Ausdehnung kann den Verbinder und die Verbindung beschädigen, indem ausreichende Kräfte auf die Komponenten der Spleißverbindung erzeugt werden, um diese zu deformieren und zu beschädigen. Eine Verbinderspleißung, die den thermischen Ausdehnungskräften widerstehen kann, die sich aus einer Umgebung mit hoher Temperatur ergeben, wäre wünschenswert.
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Derzeit bekannte Verbinder können erfordern, dass die Verbindung in einer Fabrikumgebung hergestellt wird und, sobald die Verbindung hergestellt ist, sie nicht mehr getrennt oder wieder verbunden werden könnte. Es wäre deshalb für einen Verbinder wünschenswert, dass er am Einsatzort angeschlossen werden kann und am Einsatzort nach Bedarf und Wunsch getrennt und wieder verbunden werden kann.
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Herkömmliche Verbindungskonstruktionen können sperrig sein und große Profile aufweisen. Es gibt jedoch einige Situationen, in denen die Zielbohrlöcher Größeneinschränkungen aufweisen, die die Verwendung dieser herkömmlichen Konstruktionen verhindern. Deshalb wäre es nützlich, eine Verbinderkonstruktion zu haben, die auch bei Arbeiten unter rauen Bedingungen funktioniert, und die anderen oben erwähnten Nachteile zu überwinden, während ein kleines Profil aufrecht erhalten wird.
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Aus der
US 2003/0111796 A1 ist eine Abdichtanordnung zum Schutz von elektrischen Verbindungen in einem Bohrloch bekannt. Die Abdichtanordnung umfasst Klemmringe, die zwischen einem Gehäuse und dem abzuschirmenden Kabel angeordnet sind, wobei die Klemmringe eine Metall-zu-Metall-Dichtung realisieren.
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Aus der
US 2008/0026623 A1 ist ferner ein Verbinder zum elektrischen und mechanischen Verbinden von isolierten Leitungsdrähten bekannt, die in einem Schutzrohr eingeschlossen sind. Der Verbinder weist einen starren äußeren Mantel auf, welcher zur Aufnahme und Lagerung von leitenden und isolierenden Verbinderelementen vorgesehen ist.
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Aus der
US 3,980,369 A ist ferner eine Verbinderanordnung für eine Tauchpumpe bekannt, die in Bohrlöchern zum Einsatz kommt. Die Verbinderanordnung umfasst ein längliches, flexibles und mit Gas oder Flüssigkeit gefülltes metallisches Rohr, das zur Aufnahme von elektrischen Leitungen vorgesehen ist. Das Rohr umfasst einen Anschluss, durch den eine dielektrische Flüssigkeit in das Innere des Rohrs gelangen kann, um Hohlräume auszufüllen.
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Aus der
US 3,680,036 A ist ferner ein elektrischer Verbinder für Unterseekabel bekannt. Der Verbinder wird unter Druck gesetzt, um ein Kollabieren des flexibel ausgebildeten Verbindergehäuses zu verhindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungskonstruktion bereitzustellen, welche die obengenannten Probleme herkömmlicher Verbindungskonstruktionen beseitigt und rauhen Bedingungen im Bohrloch widersteht.
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KURZER ABRISS
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Die obengenannte Aufgabe wird durch eine Elektrostromeinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8, einem Verbinder gemäß dem unabhängigen Anspruch 14 sowie einem Tauchpumpensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst.
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Ausführungsformen dieser Anmeldung umfassen Vorrichtungen, die Mehrphasenhochspannungsstromkabel mit einzelnen rohrumhüllten Hochspannungs-Motoranschlusskabeln koppeln. Die Philosophie hinter der Vorrichtung ist die, dass sie Mehrphasenkabelleiter mehrere Male auf eine einfache Weise anschließen kann, die Kurzschlüsse von Phase zu Phase verhindert und mehrfache Dichtungsbarrieren zwischen dem Bohrlochring und der Verbindung bereitstellt.
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Die Vorrichtung kann in einer kontrollierten Umgebung hergestellt werden und vor dem Feldeinsatz für eine Fabrikabnahme getestet werden, wodurch eine ausgezeichnete Verbindung am Einsatzort ermöglicht wird. Das Mehrphasenstromkabel wird mit einzelnen Verbindern für jede Phase vorbereitet. Dann wird eine Reihe von Fabrikabnahmetests, sowohl mechanisch als auch elektrisch, durchgeführt, um die Intaktheit sicherzustellen. Auf ähnliche Weise wird der rohrgekapselte Motoranschluss mit einzelnen Verbindern vorbereitet. Dann wird eine Reihe von Fabrikabnahmetests sowohl mechanisch als auch elektrisch durchgeführt, um die Intaktheit sicherzustellen. Sobald die Ausrüstung am Einsatzort angekommen ist, können beide Komponenten schnell verbunden werden, wobei die Verwendung einer Spleißung hervorgehoben wird.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung weist eine Elektrostromeinrichtung zur Versorgung eines Motors mit Strom einen Motoranschluss, der ein Ende für einen Anschluss an den Motor aufweist und eine Vielzahl von einzelnen metallumhüllten Leitern aufweist, ein Stromkabel, das ein Ende für einen Anschluss an eine Stromquelle aufweist und eine Vielzahl von einzelnen metallumhüllten Leitern aufweist, und einen Spleißverbinder auf, um jeden der Leiter des Motoranschlusses mit einem der Leiter des Stromkabels zu verbinden. Der Spleißverbinder umfasst einen rohrförmigen Befestigungskörper aus Metall mit einem Motoranschlussende und einem Stromkabelende, eine sich verjüngende Motoranschlussschulter angrenzend an das Motoranschlussende und eine sich verjüngende Stromkabelschulter angrenzend an das Stromkabelende. Es sind Befestigungskörpergewinde an dem Stromkabelende und an dem Motoranschlussende des Befestigungskörpers vorgesehen sein. Der Spleißverbinder weist außerdem eine an einem der Stromkabelleiter befestigte Mutteranordnung aus Metall auf, die Gewinde aufweist, die mit Gewinden des Befestigungskörpers an dem Stromkabelende in Eingriff stehen, wobei die Mutteranordnung aus Metall eine sich verjüngende Schulter aufweist, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der Stromkabelschulter des Befestigungskörpers steht. Ein Kopplungselement aus Metall ist an einem der Motoranschlussleiter befestigt und weist Gewinde auf, die mit den Gewinden des Befestigungskörpers an dem Motoranschlussende in Eingriff stehen. Das Kopplungselement aus Metall weist eine sich verjüngende Schulter auf, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der Motoranschlussschulter des Befestigungskörpers steht, wodurch ein Innenraum des Befestigungskörpers abgedichtet wird. Ein elektrischer Kontakt an dem Leiter des Stromkabels und dem Leiter des Motoranschlusses greifen in dem Inneren des Befestigungskörpers ineinander ein.
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Die Einrichtung weist ferner eine elastomerische Dichtung auf, die zwischen der Mutteranordnung und dem Befestigungskörper angeordnet ist, wobei die elastomerische Dichtung eine Vielzahl von Ausdehnungsentlastungshohlräumen umfasst, die zusammenfallen und Spannungen abbauen können, die durch die Dichtung ausgeübt werden, wenn die Dichtung eine Wärmeausdehnung erfährt. Die elastomerische Dichtung kann innerhalb des Innenraums des Befestigungskörpers axial zwischen den sich verjüngenden Schultern angeordnet werden. Die elastomerische Dichtung kann eine konische Schulter aufweisen, die an einer konischen Schulter des Befestigungskörpers angreift, und eine flache Schulter aufweisen, die der Mutteranordnung gegenüberliegt, wobei die Entlastungshohlräume sich in die flache Schulter erstrecken.
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Bei anderen Ausführungsformen kann die Einrichtung eine Zugangsöffnung durch eine Wand des Befestigungskörpers und ein Verschlusselement zur Öffnung und Schließung der Zugangsöffnung aufweisen. Der Befestigungskörper kann mit einem dielektrischen Fluid gefüllt werden, das durch die Zugangsöffnung gepumpt wird, wenn die Zugangsöffnung offen ist.
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Bei anderen Ausführungsformen kann die Einrichtung eine Vielzahl von Spleißverbindern umfassen, die jeweils unabhängig einen Motoranschlussleiter mit einem Stromkabelleiter verbinden. Die Gewinde an dem Stromkabelende und an dem Motoranschlussende können innen sein. Die sich verjüngenden Schultern angrenzend an das Stromkabelende und das Motoranschlussende können innerhalb des Innenraums des Befestigungskörpers sein.
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Bei alternativen Ausführungsformen weist die Elektrostromeinrichtung für eine Versorgung eines Motors mit Strom einen Motoranschluss, der ein Ende für einen Anschluss an den Motor aufweist und eine Vielzahl von einzelnen Leitern aufweist, ein Stromkabel, das ein Ende für einen Anschluss an eine Stromquelle aufweist und eine Vielzahl von einzelnen Leitern aufweist, und einen Spleißverbinder für eine Verbindung jedes der Leiter des Motoranschlusses mit einem der Leiter des Stromkabels auf. Der Spleißverbinder weist einen rohrförmigen Befestigungskörper aus Metall mit einem Motoranschlussende und einem Stromkabelende und Befestigungskörpergewinden an dem Stromkabelende und an dem Motoranschlussende des Befestigungskörpers auf. Der Spleißverbinder weist außerdem eine an einem der Stromkabelleiter befestigte Mutteranordnung aus Metall auf, die Gewinde aufweist, die mit den Befestigungskörpergewinden des Befestigungskörpers an dem Stromkabelende in Eingriff stehen. Ein elektrischer Kontakt an dem Leiter des Stromkabels und dem Leiter des Motoranschlusses greifen in dem Inneren des Befestigungskörpers ineinander. Eine elastomerische Dichtung ist zwischen der Mutteranordnung und dem Befestigungskörper angeordnet, wobei die elastomerische Dichtung eine Vielzahl von Ausdehnungsentlastungsöffnungen aufweist, die zusammenfallen können und Spannungen abbauen können, die durch die Dichtung ausgeübt werden, wenn die Dichtung eine Wärmeausdehnung erfährt.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst die elastomerische Dichtung eine ebene Stirnfläche, einen zylindrischen Ring angrenzend an die Stirnfläche und einen sich verjüngenden konischen Abschnitt entgegengesetzt der Stirnfläche. Die Entlastungsöffnungen können zur Stirnfläche hin offen und in der Länge kürzer als eine Länge des zylindrischen Ringes sein. Eine Außenfläche des sich verjüngenden konischen Abschnittes kann mit einer sich verjüngenden Schulter des Befestigungskörpers ineinandergreifen.
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Bei noch weiteren Ausführungsformen weist ein elektrisches Tauchpumpensystem eine Pumpe, einen mit der Pumpe gekoppelten elektrischen Motor, einen Motoranschluss, der an den Motor angeschlossen ist und eine Vielzahl von Motoranschlussleitern aufweist, ein Stromkabel, das eine Vielzahl von Stromkabelleitern aufweist, und einen Spleißverbinder zur Verbindung jedes der Stromkabelleiter mit einem der Motoranschlussleiter auf. Jeder der Spleißverbinder umfasst einen rohrförmigen Befestigungskörper aus Metall mit einem Motoranschlussende und einem Stromkabelende und einer sich verjüngenden Motoranschlussschulter in dem Inneren des Befestigungskörpers angrenzend an das Motoranschlussende und eine sich verjüngende Stromkabelschulter im Inneren des Befestigungskörpers angrenzend an das Stromkabelende. An dem Stromkabelende und an dem Motoranschlussende des Befestigungskörpers sind Befestigungskörpergewinde vorgesehen. Jeder der Spleißverbinder umfasst außerdem eine Mutteranordnung aus Metall, die Gewinde aufweist, die mit den Befestigungskörpergewinden an dem Stromkabelende in Eingriff stehen, wobei die Mutteranordnung aus Metall eine sich verjüngende Schulter aufweist, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der Stromkabelschulter des Befestigungskörpers steht. Ein Kopplungselement aus Metall weist Gewinde auf, die mit den Befestigungskörpergewinden an dem Motoranschlussende in Eingriff stehen. Das Kopplungselement aus Metall weist außerdem eine sich verjüngende Schulter auf, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der Motoranschlussschulter des Befestigungskörpers steht, wodurch ein Innenraum des Befestigungskörpers abgedichtet wird. Ein elektrischer Kontakt an dem Leiter des Stromkabels und dem Leiter des Motoranschlusses greifen innerhalb des Innenraums des Befestigungskörpers ineinander.
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Ferner beschrieben wird eine Elektrostromanordnung für eine Versorgung eines Motors mit Strom, wobei die Elektrostromanordnung unfasst: Einen Motoranschluss für einen Anschluss des Motors, der eine Vielzahl von einzelnen metallumhüllten Leitern aufweist, ein Stromkabel für eine Verbindung einer Stromquelle, das eine Vielzahl von einzelnen metallumhüllten Leitern aufweist, und einen rohrförmigen Befestigungskörper. Der Befestigungskörper kann Kontakte für eine elektrische Verbindung des einen der Motoranschlussleiter mit dem einen der Stromkabelleiter innerhalb des Innenraums des Befestigungskörpers und Dichtungen an einem Motorende und an einem Stromkabelende des Befestigungskörpers zur Abdichtung des einen der Motoranschlussleiter und des einen der Stromkabelleiter zu dem Befestigungskörper umfassen, wobei die Dichtungen einen abgedichteten Innenraum innerhalb des Befestigungskörpers begrenzen, der ein dielektrisches Fluid enthält. Eine Zugangsöffnung durch eine Wand des Befestigungskörpers kann es ermöglichen, dass dielektrische Fluide durch sie in den Innenraum des Befestigungskörpers eintreten, und es kann ein Verschlusselement zur Öffnung und Schließung der Zugangsöffnung vorhanden sein. Das Schließelement kann eine Schraube sein.
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Bei anderen Ausführungsformen umfasst ein Verbinder einen rohrförmigen Befestigungskörper aus Metall mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und einer sich verjüngenden ersten Schulter angrenzend an das erste Ende und einer sich verjüngenden zweiten Schulter angrenzend an das zweite Ende, und Befestigungskörpergewinden an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende des Befestigungskörpers. Eine Mutteranordnung aus Metall ist mit einem Leiter eines ersten Kabels verbunden, wobei die Mutteranordnung Gewinde aufweist, die mit den Befestigungskörpergewinden an dem ersten Ende in Eingriff stehen. Die Mutteranordnung aus Metall weist eine sich verjüngende Schulter auf, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der ersten Schulter des Befestigungskörpers steht. Ein Kopplungselement aus Metall ist mit einem Leiter eines zweiten Kabels verbunden, wobei das Kopplungselement Gewinde aufweist, die mit den Gewinden des Befestigungskörpers an dem zweiten Ende in Eingriff stehen. Das Kopplungselement aus Metall weist eine sich verjüngende Schulter auf, die in Metall-zu-Metall-Dichtungseingriff mit der zweiten Schulter des Befestigungskörpers steht, wodurch ein Innenraum des Befestigungskörpers abgedichtet wird. Ein elektrischer Kontakt an dem ersten Kabel und dem Leiter des zweiten Kabels greifen im Inneren des Befestigungskörpers ineinander.
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Der Verbinder weist ferner eine elastomerische Dichtung auf, die zwischen der Mutteranordnung und dem Befestigungskörper angeordnet ist. Die elastomerische Dichtung kann eine flache Stirnfläche, einen zylindrischen Ring angrenzend an die Stirnflache und, einen sich verjüngenden konischen Abschnitt entgegengesetzt der Stirnfläche aufweisen. Die elastomerische Dichtung weist eine Vielzahl von Ausdehnungsentlastungsöffnungen auf, die zusammenfallen können und Spannungen abbauen können, die durch die Dichtung ausgeübt werden, wenn sie eine Wärmeausdehnung erfährt. Die Entlastungsöffnungen können zur Stirnfläche hin offen und in der Länge kürzer als eine Länge des zylindrischen Ringes sein. Der Verbinder kann eine Zugangsöffnung durch eine Wand des Befestigungskörpers und ein Verschlusselement zum Öffnen und Schließen der Zugangsöffnung aufweisen. Der Innenraum des Befestigungskörpers kann mit einem dielektrischen Fluid gefüllt sein, das durch die Zugangsöffnung gepumpt werden kann, wenn die Zugangsöffnung offen ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Einige der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden erwähnt, andere werden mit fortschreitender Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei
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1 eine Seitenansicht eines elektrischen Systems mit elektrischer Tauchpumpe (ESP) innerhalb eines Bohrlochs ist, das dieser Offenbarung entsprechende Merkmale aufweist,
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2 eine Teilquerschnittsansicht eines Verbinders ist, der dieser Offenbarung entsprechende Merkmale aufweist,
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3A eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Verbinders von 2 ist,
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3B eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Verbinders von 3A ist,
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3C eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Verbinders von 3A ist,
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4A eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Dichtung des Verbinders von 2 ist,
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4B eine andere vergrößerte perspektivische Ansicht einer Dichtung des Verbinders von 2 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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1 ist eine Querschnittsansicht eines mit einem Casing versehenen Bohrlochs 10, in dem eine ESP 12 angeordnet ist. Die ESP 12 umfasst einen Elektromotor 16, einen Dichtungs/Ausgleichsabschnitt 15, einen optionalen Gasabscheider 17 und eine Pumpe 18. Die Pumpe 18 kann eine Zentrifugalpumpe, eine Pumpe mit fortschreitendem Hohlraum oder eine andere Rotationspumpe sein. Es sind Fluideinlässe 19 gezeigt, die an dem Abscheider 17 vorgesehen sind, um einen Durchgang für eine Aufnahme von Fluid in die Pumpe 18 zu schaffen. Ein Förderrohr 14 ist mit dem Auslass der Pumpe 18 gekoppelt, um unter Druck gesetztes Förderfluid aus der ESP 12 zur Oberfläche zu fördern.
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Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich ein Stromkabel 20 längs des Förderrohrs 14, wobei es in einer Spleißung oder einem Verbinder 21 endet, die bzw. der das Kabel 20 mit einem zweiten Stromkabel 20 oder einem Motoranschluss 23 elektrisch verbindet. Das Stromkabel 20 kann ein Hochspannungs-Mehrphasen-Stromkabel sein, wie z. B. ein Dreiphasen-Stromkabel. An dem unteren Ende des Stromkabels 20 ist der Motoranschluss 23 an einem Endanschluss 22 angeschlossen, der den Motoranschluss 23 mit dem Motorgehäuse 24 des Elektromotors 16 elektrisch verbindet und daran befestigt. Der Motoranschluss 23 erstreckt sich über die Pumpe hinaus nach oben, z. B. um 3 bis 24 m (10 bis 80 ft). Der Motoranschluss 23 könnte größer als 24 m oder kürzer als 3 m sein, abhängig von der Anwendung. Der Motoranschluss 23 kann flach und in der Dimension kleiner sein als das Stromkabel, so dass er zwischen der Pumpenanordnung und dem Casing hindurchgehen kann.
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Sich 2 zuwendend, verbindet der Verbinder 21 den Phasenleiter 26 des Stromkabels 20 mit dem Phasenleiter 28 des Motoranschlusses 23 (1). Um die Außenseite des Stromkabels 20 ist typischerweise eine metallische Bewehrung 30 gewickelt, um das Äußere des Stromkabels zu bilden. Zur Befestigung der Bewehrung 30 an dem Stromkabel 20 kann eine Halterung verwendet werden. Alternativ kann sie auch an der Position gelötet werden. Das Stromkabel 20 weist drei separate Phasenleiter 26 auf und jeder Leiter 26 ist an einen individuellen Spleißverbinder 32 angeschlossen. Zur Befestigung jedes Spleißverbinders 32 in einem gewählten Abstand voneinander kann eine Versandhalterung 34 verwendet werden, während das Stromkabel 22 von der Fertigungsanlage zur Einsatzstelle versandt wird.
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Jeder Phasenleiter 26 des Stromkabels 20 umfasst eine äußere Rohrumhüllung 36 aus Metall als äußerste Schicht. Das Kabelrohr 36 ist ein Rohr mit einer zentralen Achse und kann aus Eisenmetallen einschließlich Kohlenstoffstahl, einem Rohr aus rostfreiem Stahl oder Nichteisenmetallen, wie Monel, gebildet sein. Eine Schicht Kabelisolierung 38 ist innerhalb und koaxial zu dem Kabelrohr 36 angeordnet. Die Kabelisolierung 38 bildet ein Rohr mit einer zentralen Öffnung, die einen Kabeldraht 40 enthält. Der Kabeldraht 40 ist ein festes zylindrisches Element, das sowohl zu der Kabelisolierung 38 als auch zu dem Kabelrohr 36 koaxial ist. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte der Kabeldraht 40 eine Reihe von kleineren geflochtenen Drähten sein, um ein einzelnes Drahtelement oder eine Phase zu umfassen.
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Jeder Leiter 28 des Motoranschlusses 23 (1) umfasst auf ähnliche Weise eine äußere Rohrumhüllung 42 aus Metall als äußerste Schicht. Die Anschlussrohrumhüllung 42 ist ein rohrförmiges Element mit einer zentralen Achse und kann von einem Rohr aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl gebildet werden. Eine Schicht einer Anschlussisolierung 44 ist innerhalb und koaxial zu dem Anschlussrohr 42 angeordnet. Die Anschlussisolierung 44 bildet ein Rohr mit einer zentralen Öffnung, die einen Anschlussdraht 46 enthält. Der Anschlussdraht 46 ist ein festes zylindrisches Element, das sowohl zur Anschlussisolierung 44 als auch zu dem Anschlussrohr 42 koaxial ist.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die drei Spleißverbinder 32 im selben Abstand von dem Anschluss der Bewehrung 30 des Stromkabels 20 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen können die Spleißverbindungen 32 jeweils in einem unterschiedlichen Abstand von dem Ende der Bewehrung 30 des Stromkabels 20 angeordnet sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist die vertikale Höhe jedes Spleißverbinders 32 bei Anordnung in einem mit einem Casing versehenen Bohrloch 10 unterschiedlich und der Gesamtdurchmesser des Verbinders 21 ist kleiner, wodurch eine elegantere Verbindung für eine Verwendung in einem Bohrloch mit geringerem Durchmesser oder eine Vergrößerung des Zwischenraums zwischen dem Verbinder 21 und der Wand des mit einem Casing versehenen Bohrlochs 10 ermöglicht wird.
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Sich 3A zuwendend, ermöglicht der Spleißverbinder 32 in seinem montierten Zustand die Fertigstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Kabeldraht 40 und dem Anschlussdraht 46. In seinem montierten Zustand ist eine Druckmutteranordnung 48 außerhalb des Kabelrohrs 36 an einem Ende des Spleißverbinders 32 ganz in der Nähe des Stromkabels 20 angeordnet (2). Dieses Ende ist das obere Ende der Vorrichtung, wenn sie in dem Bohrloch installiert ist. Die Druckmutteranordnung 48 ist ein metallisches Rohrelement mit einem im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser und einer Mittelachse und umfasst ein Mutterprofil 52, damit es mit einem Werkzeug möglich ist, die Mutteranordnung 48 anzuziehen und zu lockern. Ein Schaft 50 ist an einem oberen Ende des Mutterprofils 52 angeordnet. Der Schaft 50 hat eine geringere Wanddicke als das Mutterprofil 52. Der Schaft 50 vereinfacht die Verwendung von zu wickelnder Anschlussfolie und von Band mit hohem Modul, die die Mutteranordnung 48 mit dem Kabelrohr 36 verbinden.
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Wie es in 3B gezeigt ist, umfasst die Mutteranordnung 48 auf einer dem Schaft 50 des Mutterprofils 52 entgegengesetzten Seite einen Dichtabschnitt 54. Der Dichtabschnitt 54 hat eine Wanddicke, die größer ist als der Schaft 50. Der Dichtabschnitt 54 umfasst eine nach unten zeigende Schulter 56, die sich von einem Bereich größerer Wanddicke 58 in Richtung des oberen Endes der Mutteranordnung 48 und von einem Bereich geringerer Wanddicke 60 in Richtung eines unteren Endes der Mutteranordnung 48 neigt. Eine Dichtungsschulter 56 greift an einer nach oben zeigenden Körperschulter 94 eines Befestigungskörpers 96 an. Der Befestigungskörper 96 ist ein zylindrisches Rohr aus Metall mit einer Mittelachse, die koaxial zur Mittelachse des Kabeldrahts 40 ist. Das Angreifen der Dichtungsschulter 56 an der Körperschulter 94 erzeugt eine Metall-zu-Metall-Dichtung zwischen der Mutteranordnung 48 und dem Befestigungskörper 96. Eine Gasdekompression ist eine der Hauptursachen für eine Fehlfunktion von ESP-Komponenten. Diese Metall-zu-Metall-Dichtung verhindert eine Gasmigration in den Befestigungskörper 96. Außerdem ist das Vorhandensein von saurem Gas, H2S, extrem schädlich für Kupferleitungen und andere Materialien. Diese Metall-zu-Metall-Dichtung sorgt für eine Langzeitlösung dieser beiden Probleme.
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Innerhalb des Bereichs geringerer Wanddicke 60 der Mutteranordnung 48 ist eine Umfangsausnehmung 62 ausgebildet. Ein elastomerischer Dichtungsring 64 ist innerhalb der Ausnehmung 62 angeordnet. Der Dichtungsring 64 erzeugt eine Unterstützungsabdichtung zwischen der Mutteranordnung 48 und dem Befestigungskörper 96. Gewinde an einer äußeren Fläche der Mutteranordnung 48 können mit Gewinden an der Innenfläche des oberen Endes des Befestigungskörpers 96 in Eingriff stehen, um die Mutteranordnung 48 innerhalb des Befestigungskörpers 96 zu halten. Bei alternativen Ausführungsformen können andere bekannte Verbindungsformen verwendet werden, um die Mutteranordnung 48 innerhalb des Befestigungskörpers 96 zu halten. Das Kabelrohr 36 endet innerhalb der Mutteranordnung 48, während sich die Kabelisolierung 38 und der Kabeldraht 40 durch die gesamte Länge der Mutteranordnung 48 erstrecken.
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Eine erste Seite einer Druckscheibe 68 aus Metall liegt an dem unteren Ende 66 der Mutteranordnung 48 an. Die Druckscheibe 68 schützt eine elastomerische Hauptdichtung 70 vor einer Drehbewegung der Mutteranordnung 48 und überträgt die Axialkräfte der Mutteranordnung 48. Die Kabelisolierung 38 und der Kabeldraht 40 erstrecken sich durch die Innenbohrung der Hauptdichtung 70. Wie es in 4A und 46 erkennbar ist, umfasst die Hauptdichtung 70 einen zylindrischen Ring 72 und einen sich verjüngenden konischen Abschnitt 74. Eine Stirnfläche 76 der Hauptdichtung 70 liegt an der zweiten Seite der Druckscheibe 48 an. Die äußere Fläche des sich verjüngenden konischen Abschnitts 74 der Hauptdichtung 70 greift an einer zweiten, nach oben zeigenden Schulter 132 (3B) des Befestigungskörpers 96 an. Die Hauptdichtung 70 kann aus einem elastomerischen oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein.
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Innerhalb des zylindrischen Rings 72 ist eine Anzahl von Ausdehnungsentlastungshohlräumen 78 angeordnet. Die Hohlräume 78 sind zur Stirnfläche 76 offen und in der Länge kürzer als die Länge des zylindrischen Rings 72. Wenn die Hauptdichtung 70 hohen Temperaturen ausgesetzt ist, neigt sie dazu, sich auszudehnen. Wenn die Hauptdichtung 70 dazu neigt, sich auszudehnen, verformt sie sich gegen die Druckscheibe 78 und die nach oben zeigende Schulter 132, weshalb das Material der Hauptdichtung 70 sich in die Hohlräume 78 erstreckt oder in diese einfällt. Dies reduziert sowohl axiale als auch nach außen gerichtete Kräfte, die die Hauptdichtung 70 sonst auf die Komponenten aufbringen würde, die sich in der Nähe der Hauptdichtung 70 befinden. Deshalb kann die Mutteranordnung 48 in einem breiteren Bereich von Hochtemperaturbohrlochbedingungen erfolgreich verwendet werden.
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Zurückkehrend zu 3A endet der Kabeldraht 40 innerhalb einer Bohrung eines weiblichen Anschlussstiftes oder einer Aufnahme 80. Der weibliche Stift 80 ist ein rohrförmiges Element mit einer Mittelachse, die kolinear zur Achse des Kabeldrahtes 40 verläuft. Der weibliche Stift 80 weist eine Trennwand 81 auf, die die Kabeldrahttasche 84 von der Stifttasche 86 trennt. Die Kabelisolierung 38 endet an oder vor dem oberen Ende des weiblichen Stiftes 80, so dass der Kabeldraht 40 innerhalb des weiblichen Anschlussstiftes 80 freiliegt und innerhalb der Kabeldrahttasche 84 gecrimpt werden kann. Eine Aufnahme oder ein weiblicher Isolator 82 umgibt den weiblichen Stift 80 und die Kabelisolierung 38. Der weibliche Isolator 82 kann an dem weiblichen Stift 80 mit einem kreisförmigen Clip oder einer anderen Halteeinrichtung befestigt sein. Der weibliche Isolator 82 hat eine variierende Wanddicke, um die unterschiedlichen Außendurchmesser des weiblichen Stiftes 80 und der Kabelisolierung 38 aufzunehmen. Der weibliche Isolator 82 ist innerhalb des Befestigungskörpers 96 und erzeugt eine elektrische Isolierungsbarriere zwischen dem weiblichen Stift 80 und dem Befestigungskörper 96. Der weibliche Isolator kann beispielsweise aus einem Hochtemperaturpolymer, einem Thermoplast oder anderem bekannten Isoliermaterial gebildet sein.
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Sich nun dem Ende des Spleißverbinders 32 ganz in der Nähe des Motoranschlusses 23 (1) zuwendend, ist ein hohler rohrförmiger Anschlussschaft 88 um das Anschlussrohr 42 des Anschlussleiters 28 herum angeordnet (2). Dieses Ende ist das untere Ende der Vorrichtung, wenn sie in dem Bohrloch installiert ist. Der Anschlussschaft 88 vereinfacht die Verwendung einer zu wickelnden Anschlussfolie und eines Bands mit hohem Modul, die den Anschlussschaft 88 mit dem Anschlussrohr 42 verbinden. Um den Anschlussschaft 88 ist ein Kompressionsnippel, wie z. B. eine mechanische Dichtverbindung 90 vom Typ Swagelok angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen kann kein Anschlussschaft 88 verwendet werden und der Kompressionsnippel 90 wird stattdessen direkt um das Anschlussrohr 42 angeordnet. Wenn er angezogen ist, greift der Kompressionsnippel 90 je nach Anwendungsfall entweder an dem Anschlussschaft 88 oder an dem Anschlussrohr 42 an. Innengewinde an dem Kompressionsnippel 90 stehen in Eingriff mit äußeren Gewinden an einem Gehäusekoppler 92. Der Gehäusekoppler 92 ist um den Anschlussschaft 88 angeordnet. Eine Kopplermutteranordnung 98 aus Metall ist außerhalb des Gehäusekopplers 92 angeordnet.
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Wie es in 3C zu erkennen ist, greift eine nach oben zeigende Kopplerschulter 102 der Kopplermutter 98 an einer nach unten zeigenden Körperschulter 102 des unteren Endes des Befestigungskörpers 96 an. Das Angreifen von Kopplerschulter 100 und Körperschulter 102 erzeugt eine Metall-zu-Metall-Dichtung zwischen der Kopplermutter 98 und dem Befestigungskörper 92. Diese Metall-zu-Metall-Dichtung verhindert eine Gasmigration in den Befestigungskörper 96. Ein oberes Ende 104 der Kopplermutter 98 greift an einer nach unten zeigenden Schulter 106 des Gehäusekopplers 92 an und ein oberes Ende 108 des Anschlussschaftes 88 greift an einer inneren, nach unten zeigenden Schulter 110 des Gehäusekopplers 92 an.
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Gewinde an einer Außenfläche der Kopplermutter 98 können mit Gewinden an einer Innenfläche des unteren Endes des Befestigungskörpers 96 in Eingriff stehen, um die Kopplermutter 98 innerhalb des Befestigungskörpers 96 zu halten. Bei alternativen Ausführungsformen können andere bekannte Verbindungsformen verwendet werden, um die Kopplermutter 98 innerhalb des Befestigungskörpers 96 zu halten. Der Gehäusekoppler 92 umfasst wenigstens eine und kann wie in 3 gezeigt zwei ringförmige Ausnehmungen 112, 114 aufweisen. In der ringförmigen Ausnehmung 112 ist eine Unterstützungsdichtung 116 untergebracht und in der ringförmigen Ausnehmung 114 ist eine zweite Unterstützungsdichtung 118 untergebracht. Jede Unterstützungsdichtung 116, 118 kann beispielsweise ein elastomerischer O-Ring oder eine andere Standarddichteinrichtung sein. Jede Unterstützungsdichtung 116, 118 greift dichtend an einer Innenwand des Befestigungskörpers 96 an und schafft eine Dichtung zwischen dem Gehäusekoppler 92 und dem Befestigungskörper 96.
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Zurückkehrend zu 3A endet der Anschlussdraht 96 innerhalb einer Bohrung eines männlichen Anschlussstiftes 120. Der männliche Anschlussstift 120 umfasst eine Drahttasche 124 an seinem unteren Ende, in der der Anschlussdraht 46 angeordnet und gecrimpt ist. Das obere Ende des männlichen Stiftes 120 ist ein zylindrisches Stiftelement 126 mit einer Mittelachse, die kolinear zu der Achse des Anschlussdrahtes 46 ist. Die Anschlussisolierung 44 endet an oder vor dem unteren Ende der Drahttasche 124, so dass der Kabeldraht 40 innerhalb der Drahttasche 124 freiliegt.
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Ein Stift oder ein männlicher Isolator 122 umgibt den männlichen Stift 120 und die Anschlussisolation 44. Der männliche Isolator 122 liegt innerhalb des Befestigungskörpers 96 und erzeugt eine elektrische Isolierungsbarriere zwischen dem männlichen Stift 120 und dem Befestigungskörper 96. Der männliche Isolator kann beispielsweise aus einem Hochtemperaturpolymer, einem Thermoplast oder anderem geeigneten Isoliermaterial gebildet werden. Der männliche Isolator 122 kann an dem männlichen Stift 120 mit einem kreisförmigen Clip oder anderen bekannten Halteeinrichtungen befestigt sein. Der männliche Isolator 122 ist ein rohrförmiges Element mit einem größeren Außendurchmesser und einem größeren Innendurchmesser an dem unteren Ende, um den Anschlussdraht 46, die Anschlussisolierung 44 und die Drahttasche 124 aufzunehmen. An seinem oberen Ende weist der männliche Isolator 122 einen kleineren Innendurchmesser um das Stiftelement 126 und einen kleineren Außendurchmesser auf, um in ein unteres Ende des weiblichen Isolators 82 zu passen. Der männliche Isolator 122 endet vor einem oberen Ende des Stiftelements 126, so dass das Stiftelement 126 direkt in der Drahttasche 84 des weiblichen Stiftes 80 angeordnet werden kann. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Kabeldraht 40 und dem Anschlussdraht 46 wird durch Verbindung des Kabeldrahts 40 mit dem weiblichen Stift 80 hergestellt, der in Kontakt mit dem männlichen Stift 120 ist, der seinerseits mit dem Anschlussdraht 46 verbunden ist.
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Der Befestigungskörper 96 erstreckt sich von der Mutteranordnung 48 an seinem oberen Ende zur Kopplermutter 98 an seinem unteren Ende. Wie oben beschrieben wurde, sind Metall-zu-Metall-Dichtungen sowohl an dem oberen Ende als auch an dem unteren Ende des Befestigungskörpers 96 vorhanden. Bei einigen Ausführungsformen kann Luft, die innerhalb der Grenzen des Befestigungskörpers 96 gefangen ist, durch Unterdruck mittels einer Zugangsöffnung 128 durch den Befestigungskörper herausbefördert werden. Um dies zu tun, könnte eine Schraube 130 in der Öffnung 128 von dem Befestigungskörper entfernt werden, um die Öffnung 128 zu öffnen. Ein dielektrisches Fluid, wie z. B. ein dielektrisches Motoröl, ein dielektrischer Schmierstoff oder eine andere geeignete Substanz kann durch die Öffnung 128 gepumpt werden, um jegliche Luft zu verdrängen und jegliche Hohlräume innerhalb des Befestigungskörpers 96 zu füllen. Die Schraube 130 würde dann wieder zurück in der Öffnung 128 angeordnet werden, um die Öffnung 128 zu schließen und abzudichten.
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Im Einsatz wird jeder Phasenleiter 26 des Stromkabels 22 vorbereitet und mit gewissen Komponenten eines individuellen Spleißverbinders 32 ausgestattet. Auf ähnliche Weise wird jeder Phasenleiter 28 des Motoranschlusses 23 vorbereitet und mit gewissen Komponenten eines individuellen Spleißverbinders 32 ausgestattet. Vor und nach dem Einpassen der Komponenten jedes Spleißverbinders 32 werden eine Reihe von Fabrikabnahmetests, sowohl mechanisch als auch elektrisch, durchgeführt, um die Intaktheit jedes Spleißverbinders 32 sicherzustellen. Der Spleißverbinder 32 kann dann gelöst und der Motoranschluss 23 und das Stromkabel 22 an seinem Einsatzgebiet wieder angeordnet werden. Sobald der Motoranschluss 23, das Stromkabel 20 und die betreffende Ausrüstung am Einsatzort angekommen sind, können die Komponenten jedes Spleißverbinders 32 schnell und einfach wiederverbunden werden, bevor die ESP-Anordnung in das Bohrloch mittels üblicher Einrichtungen abgesenkt wird. Da jeder Phasenleiter 26 des Stromkabels 20 mittels eines separaten Spleißverbinders 32 unabhängig mit jedem Phasenleiter 28 des Motoranschlusses 23 in Eingriff steht, ist die Möglichkeit von Phase-zu-Phase-Kurzschlüssen deutlich reduziert.
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Wenn es erforderlich ist, die ESP für einen Service oder eine Reparatur wieder an die Oberfläche zu bringen, können außerdem die Komponenten jedes Spleißverbinders 32 einfach voneinander gelöst werden, weshalb das Stromkabel 20 von dem Motoranschluss 23 getrennt werden kann. Wenn die ESP wieder fertig ist, um zurück in das Bohrloch gebracht zu werden, können die Komponenten des Spleißverbinders 32 einfach wieder miteinander verbunden werden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromkabel 20 und dem Motoranschluss 23 geschaffen wird.
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Betrachtet man 3A, bleiben die Kompressionsmutteranordnung 48, der Dichtring 64, die Hauptdichtung 70, der Befestigungskörper 96, der weibliche Stift 80 und der weibliche Isolator 82 während eines Lösevorgangs an dem Kabeldraht 40 des Stromkabels 20 angebracht. Der Kompressionsnippel 90, die Kopplermutter 98, der Koppler 92, der männliche Stift 120 und der männliche Isolator 122 bleiben an dem Anschlussdraht 46 des Motoranschlusses 23 angebracht. Um die Komponenten jedes Spleißverbinders 32 wieder zu verbinden, wird der männliche Stift 120, der an dem Anschlussdraht 46 des Motoranschlusses 23 gehalten ist, wieder in den weiblichen Stift 80 eingesetzt, der an dem Kabelleiter des Stromkabels 20 gehalten ist. Die Kopplermutter 98, die Teil des Motoranschlusses 23 ist, greift an dem Befestigungskörper 96 an, der Teil des Stromkabels ist und entweder am Ort geschraubt oder auf andere Weise mit der anwendbaren Halteeinrichtung der besonderen Ausführungsform ausgestattet ist. Wenn die Kopplermutter 98 angezogen wird, wird die untere Metall-zu-Metall-Dichtung der Kopplerschulter 100 zu der Körperschulter 102 (3C) aktiviert. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Befestigungskörper 96 anstatt dessen mit dem Anschlussdraht 46 des Motoranschlusses 23 gehalten werden, wobei in diesem Fall die Kompressionsmutteranordnung 48, die Teil des Stromkabels ist, an dem Befestigungskörper 96 angreift, der Teil des Motoranschlusses 23 ist, und am Ort geschraubt oder auf andere Weise mit der anwendbaren Halteeinrichtung der speziellen Ausführungsform ausgestattet ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Umänderungen daran durchgeführt werden können, ohne von dem Prinzip und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß wird der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre geeigneten gesetzlichen Äquivalente bestimmt.
