NO20101526A1 - Undervannskraftkoblingssystem - Google Patents

Abstract

Et kraftkoblingssystem (10) for bruk under vann omfatter minst to separerbare magnetiske kjerner (40, 50) som er opererbare når de er koblet sammen, for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene (40, 50) hver er forsynt med en eller flere viklinger. De minst to separerbare magnetiske kjernene (40, 50) innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement (60, 80) som understøtter magnetiske fremspring (70, 90), hvor fremspringene (70, 90) er langstrakte og er innrettet for å være i innbyrdes kontakt med hverandre langs sine lateralt sammenstøtende sider for å tilveiebringe den magnetiske kretsen når systemet (10) er i sin sammenstilte tilstand (210).

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører et undervanns kraftkoblingssystem for, for eksempel, å overføre elektrisk kraft i undervannsomgivelser via koblingselementer som innbyrdes kan kobles til hverandre og fra hverandre. Foreliggende oppfinnelse vedrører dessuten også fremgangsmåter for tilkobling og frakobling av koblingselementer i undervanns kraftkoblingssystemer.

Teknisk bakgrunn

I forbindelse med nåværende offshore-installasjoner, for eksempel olje- og gassproduksjonsplattformer, borerigger, vindenergianlegg til sjøs, anlegg for hav-bølgeenergi og mineralutvinningsaktiviteter oppstår ofte behov for å overføre betydelige mengder elektrisk kraft, for eksempel for levering av elektrisk kraft til elektriske motorer og for tilkobling av utganger fra elektriske generatorer. En slik overføring av betydelig kraft blir fortrinnsvis oppnådd ved høye potensialer i størrelsesorden kilovolt (kV) for å redusere en mengde med tilhørende elektrisk strømflyt i elektriske ledninger og kabler. For tiden har det i praksis vist seg vanskelig å tilveiebringe elektriske koblinger med høy pålitelighet i undervannsmiljøer, spesielt når høye arbeidspotensialer er nødvendig. Saltholdige lekkasjer av sjøvann eller endog høy fuktighet som et resultat av innsiving av sjøvann ved høye driftstrykk, har en tendens til å forårsake overslag og tilhørende kortslutninger i elektrisk apparatur. Elektriske overslagsskader blir ofte permanente når polymerisolatorer på denne måten blir forkullet og/eller nedsmeltet.

Kraftoverføring via magnetisk kobling gjennom koblingselementer som kan kobles sammen og kobles fra hverandre er kjent fra en publisert britisk patentsøknad nummer GB2318397A (Wilson, GEC). Det er beskrevet en koblingsanordning som omfatter et par stempler som definerer respektive sammenpassende overflater. Et av stemplene er montert inne i en boring i et første bæreorgan for bevegelse langs en første akse og anordnet for kontakt med en ettergivende pakning montert inne i boringen. Et annet av stemplene er montert inne i en boring i et annet bæreorgan for bevegelse langs en annen akse som er parallell med den første aksen og anordnet for kontakt med en ettergivende pakning montert inne i boringen. De første og andre bæreorganene er anordnet for relativ bevegelse bare i en retning ved rette vinkler i forhold til de første og andre aksene for å gjøre det mulig for de to aksene å bli innbyrdes innrettet med hverandre. Fjærer er innbefattet for å forspenne stemplene mot hverandre slik at deres sammenpassende overflater operativt sveiper hverandre under innretting av de to aksene. Den magnetiske koblingen innbefatter også en hydraulisk koblingsanordning for å tilføre trykksatt fluid mellom hvert stempel og dets tilhørende bæreorgan, hvorved de innrettede stemplene under drift kan benyttes til å presse de sammenpassende overflatene mot hverandre.

En slik kjent magnetisk kobling er beheftet med flere potensielle drifts-problemer. Fluidforbindelse til stemplene skaper for eksempel komplikasjoner med enda fler fluidførende rør som er ømfintlige for brudd under høye driftstrykk. Sveipe-eller viskebevegelsen av de sammenstøtende overflatene er dessuten potensielt util-strekkelig til å unngå betydelig oppbygging av ikke-magnetisk vekst på de sammen-støtende, sammenpassende overflatene. Kjente magnetiske koblinger er videre også potensielt vanskelig å manøvrere og innrette under sammenfesting i undervannsomgivelser hvor optisk betraktning er vanskelig, for eksempel som en følge av grums eller marine mikrober.

Disse tidligere kjente systemene er beheftet med mange problemer som gjør dem uegnet for kobling av betydelig kraft i en størrelsesorden av titalls eller endog hundretalls kilowatt (kW).

Oppsummering av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å tilveiebringe et forbedret kraft-tilkoblingssystem for bruk under vann som er i stand til å operere mer pålitelig og/eller overføre større mengder med elektrisk kraft.

I henhold til et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et kraftkoblingssystem for bruk under vann som omfatter minst to separerbare magnetiske kjerner som er operative, når det er koblet sammen, for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene er forsynt med en eller flere respektive vindinger,karakterisert vedat de minst to separerbare magnetiske kjernene innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement som understøtter magnetiske fremspring, hvor fremspringene er langstrakte og innrettet for med sine laterale sider å bli innbyrdes sammenstøtende for å tilveiebringe den magnetiske kretsen når systemet er i sin sammenstilte tilstand.

Oppfinnelsen har den fordel at krafttilkoblingssystemer for bruk under vann på grunn av sine sammenpassende, langstrakte magnetiske fremspring er i stand til: enten å tilveiebringe en mer pålitelig drift eller overføre større kraftmengder.

Undervannssystemet for kraftkobling blir fortrinnsvis implementert slik at fremspringene er langstrakte i en retning som svarer til en retning i hvilken kjernene blir innbyrdes koblet sammen og/eller kobles fra hverandre.

Det undervannskraftkoblingssystemet er fortrinnsvis implementert slik at ut-springene har en avskrådd form mot sine distale ender.

Kraftkoblingssystemet for bruk under vann er implementert slik at kjernene er fremstilt av minst et av: et laminat av magnetisk permeable skiver, magnetisk permeabel tråd, ferrittmaterialer.

Kraftkoblingssystemet for bruk under vann er fortrinnsvis implementert slik at kjernene er tilordnet flere viklinger for å gjøre det mulig for systemet å koble gjennom flerfaset elektrisk vekselstrøm kraft.

Kraftkoblingssystemet for bruk under vann er fortrinnsvis implementert slik at viklingene er innbefattet i hule, ikke-magnetiske metallomslutninger som innbefatter isolerende fluid som er innrettet for å bli opprettholdt ved hovedsakelig samme trykk som et driftsmiljø for undervannssystemet.

Kraftkoblingssystemet for bruk under vann er fortrinnsvis implementert for å innbefatte frekvensomformingsenheter koblet til viklingene for å gjøre det mulig å overføre kraft via kjernene ved en økt vekselfrekvens.

Kraftkoblingssystemet for bruk under vann er fortrinnsvis implementert for å innbefatte en låsemekanisme for å holde de minst to kjernene koblet sammen når de er i en innbyrdes sammenkoblet tilstand.

I henhold til et annet aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å koble et undervanns kraftkoblingssystem som omfatter minst to separerbare magnetiske kjerner som er operative når de er koblet sammen for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene er forsynt med en eller flere respektive viklinger,

karakterisert vedat fremgangsmåten innbefatter:

(a) å sørge for at de minst to separerbare magnetiske kjernene innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement som understøtter magnetiske

fremspring, hvor fremspringene er langstrakte; og

(b) å sammenkoble fremspringene ved sine laterale sider på en innbyrdes sammenstøtende måte for å tilveiebringe den magnetiske kretsen når systemet er i sin sammenstilte tilstand.

Ifølge et tredje aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å frakoble et kraftkoblingssystem for brukt under vann, som omfatter minst to separerbare magnetiske kjerner som er operative når de er koblet sammen for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene er forsynt med en eller flere respektive viklinger,

karakterisert vedat fremgangsmåten innbefatter:

(a) å sørge for at de minst to separate magnetiske kjernene innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement som understøtter magnetiske fremspring, hvor fremspringene er langstrakte; og (b) å separere fremspringene fra en innbyrdes kontakttilstand mellom deres laterale sider på en innbyrdes tilstøtende måte for å bryte den magnetiske kretsen når systemet er i sin frakoblede tilstand.

Beskrivelse av tegningene

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, kun som eksempler, under henvisning til de følgende tegninger, hvor: Fig. 1 er en illustrasjon av et undervanns kraftkoblingssystem i henhold til fore liggende oppfinnelse; Fig. 2 er en illustrasjon av en fremgangsmåte for sammenkobling og frakobling av

kraftkoblingssystemet på fig. 1; og

Fig. 3 er en illustrasjon av en modifisert implementering av kraftkoblingssystemet på

fig. 1.

På de vedføyde tegningene er et understreket tall anvendt for å representere et element som det understrekede tallet er plassert over eller et element som det understrekede tallet er plassert ved siden av. Et ikke understreket tall er relatert til et element identifisert ved hjelp av en linje som forbinder det ikke understrekede tallet med elementet. Når et tall ikke er understreket og er fulgt av en tilhørende pil, blir det ikke understrekede tallet brukt til å identifisere et generelt element der hvor pilen peker.

Beskrivelse av utførelsesformer av oppfinnelsen

Det vises til figur 1 hvor det er vist et kraftkoblingssystem for bruk under vann i henhold til foreliggende oppfinnelse. Koblingssystemet er generelt indikert ved 10 og er operativt for å tilveiebringe undervanns kraftkoblinger for elektrisk kraftforsyning ved potensialer på 6 kV og høyere. Koblingssystemet 10 er for eksempel nødvendig for fremtidige installasjoner hvor høyspenningskabler (HV-kabler) skal kobles til undersjøisk utstyr i olje- og gassinstallasjoner, vindmølleparker til sjøs og under-sjøiske kraftnett. Koblingssystemet 10 erstatter eventuelt de sammenkoblingsbare våtkontaktene på 13,4 kV hvor elektriske kontakter mellom tilpassende elektroder blir benyttet og hvor magnetisk kobling ikke blir brukt. Disse kjente undervanns-koblingene har vanskelighet for å oppnå pålitelig isolasjon på grunn av elektriske påkjenninger som påtreffes langs deres fuktede overflater. Selv om sammensett-bare, magnetiske koblingsanordninger er kjent som beskrevet i det foregående, er slike kjente magnetiske koblingsanordninger generelt uegnet for overføring av store effektmengder i undervannsanvendelser. Koblingssystemet 10 som er illustrert på figur 1, er uten problemer med høyspenningsisolasjon (HV-isolasjon) som er kjent i forbindelse med nåværende koblingsanordninger fordi en ny måte for utførelse av en magnetisk forbindelse blir anvendt i systemet 10, hvor elektriske komponenter kan være grundig omsluttet og innkapslet for derved fullstendig å unngå eksponering mot salt sjøvann. Systemet 10 blir fortrinnsvis brukt i forbindelse med havbunnsplassert produksjonsutstyr som under drift krever store kraftmengder for å funksjonere opti-malt, for eksempel i overkant av 20 MW.

På figur 1 innbefatter systemet 10 primærkretskabler 20 og sekundærkrets-kabler 30 koblet for å svare til respektive primær- og sekundærviklinger. Systemet 10 anvender videre magnetisk kobling mellom de primære og sekundære viklingene via en transformator implementert fra en første magnetisk kjerne 40 i tilknytning til de primære viklingene, og en sekundær magnetisk kjerne 50 tilknyttet de sekundære viklingene som illustrert. Den første magnetiske kjernen 40 innbefatter et transversalt organ 60 som understøtter tre utragende fremspring 70. Fremspringene 70 er fortrinnsvis litt avskrådd mot sine distale ender som ligger lengst fra det transversale organet 60. Den andre magnetiske kjernen 60 innbefatter likeledes et transversalt organ 80 som bærer tre utragende fremspring 90. Fremspringene 90 er fortrinnsvis svakt avskrådd mot sine distale ender lengst fra det transversale organet 80. Det transversale organet 60 og dets fremspring 70 er en integrert komponent fremstilt av magnetisk materiale med relativ permeabilitet betydelig større enn 1. Det transversale organet 60 og dets fremspring 70 er dessuten fremstilt av minst et av: et laminert magnetisk materiale (for eksempel laminert silisiumstål), av magnetiske tråder, av et ferrittkomposittmateriale. Det transversale organet 80 og dets fremspring 90 er fortrinnsvis en helhetlig komponent fremstilt av magnetisk materiale med relativ permeabilitet betydelig større enn 1. Dessuten er det transversale organet 80 og dets fremspring 90 også fremstilt av laminert magnetisk materiale, for eksempel fremstilt av et ferrittkomposittmateriale. Fremspringene 70 i den første magnetiske kjernen 40 er dimensjonert for inngrep som illustrert på figur 1, med fremspringene 90 på den andre magnetiske kjernen 60 når systemet 10 er i sammenkoblet tilstand for overføring av kraft ved hjelp av magnetisk vekselkobling mellom de primære og sekundære viklingene. I det minste en del av fremspringene 70, 90 er fortrinnsvis i det minste delvis implementert ringformet; alternativt har fremspringene 70, 90 en hovedsakelig rettlinjet form som illustrert. Fremspringene 70, 90 er som før nevnt noe avskrådd, for eksempel med en vinkel mindre enn 5° i forhold til en akse 100, som illustrert. De forannevnte primære og sekundære viklingene er anordnet for å omslutte en eller flere av fremspringene 70, 90 slik at viklingene blir magnetisk koblet til et magnetfelt som er opprettet inne i kjernene 40, 50 når systemet 10 er i drift.

Når koblingssystemet 10 skal frakobles, blir de første og andre kjernene 40, 50 trukket fra hverandre med sine respektive tilkoblede viklinger. Systemet 10 er fordelaktig ved at fremspringene 70, 90 er langstrakte i en retning markert ved aksen 100 hvor kjernene 40, 50 blir koblet sammen som betegnet ved piler 110. Et slikt arrangement som illustrert på figur 1, har flere fordeler, som foreksempel: (a) det er et betydelig innbyrdes sammenfallende overflateareal ved sidene av fremspringene 70, 90 sammenlignet med kjente magnetiske koblingsanordninger som beskrevet i det foregående, og som gjør systemet 10 mer tolerant overfor avfall og groing som kan inntreffe på sidene av fremspringene 70, 90. Den fortrinnsvis avskrådde beskaffenheten til fremspringene 70, 90 sørger for ytterligere forbedret magnetisk kobling og ufølsomhet for forurensninger som under bruk oppsamles på fremspringene 70, 90; (b) fremspringene 70, 90 ligger an på de transversale organene 60, 80 som definerer i hvilken grad kjernene 40, 50 blir brakt sammen når systemet 10 er i en sammenkoblet tilstand; (c) fremspringene 70, 90 er gunstige når det gjelder å forsyne systemet 10 med lateral stivhet på tvers av aksen 100 og på linje med aksen 100 når koblingssystemet 10 er i sin sammenkoblede tilstand.

Selv om det ikke er vist på figur 1, innbefatter systemet 10 en isolerende innkapsling av kjernene 40, 50 og deres viklinger for å beskytte dem fra korrosjon og innsiving av salt sjøvann. En slik isolerende innkapsling blir fortrinnsvis fremstilt av epoksy, gummi, silikon, polyuretan eller andre robuste isolasjonsmaterialer som er ugjennomtrengelige for innsiving av saltvann. Viklingene er fortrinnsvis omsluttet av et hult hus av tynnvegget rustfritt stål (eller et annet lignende materiale) fylt med avgasset isolerende fluid slik at trykk inne i og utenfor det hule huset blir utbalansert under drift av systemet 10.

Systemet 10 er fortrinnsvis forsynt med en sperre- eller låsemekanisme for å holde kjernene 40, 50 tett sammenbundet når systemet 10 er i sin sammenkoblede tilstand; mekanismen er eventuelt implementert ved hjelp av en ikke vekselstrøm-forsynt elektromagnet, slik som en elektromagnet forsynt med likestrøm. Mekanismen er fortrinnsvis implementert ved hjelp av en ikke-vekselstrøm tilført for ytterligere å tiltrekke viklingene som er rommessig innbefattet samtidig med de primære og /eller sekundære viklingene. Sperre- eller låsemekanismen blir frigjort når systemet 10 skal frakobles for innbyrdes separasjon av kjernene 40, 50. Eventuelt er sperre- eller låsemekanismen implementert i det minste delvis ved aktiverte mekaniske komponenter som er anordnet for innbyrdes inngrep for å tilveiebringe en låsevirkning når systemet 10 er i sin sammenkoblede tilstand.

På figur 2 er systemet 10 i sin frakoblede tilstand indikert ved 200, 220, og i sin sammenkoblede tilstand ved 210.1 den frakoblede tilstanden 200 på vei til å koble systemet 10 sammen, blir kjernene 40, 50 innbyrdes brakt sammen som indikert ved brede piler. I den sammenkoblede tilstanden 200 ved begynnelsen av frakobling av systemet 10, er kryssene 40, 50 innbyrdes separert som indikert ved hjelp av brede piler i tilstanden 220.

På figur 3 er de primære og sekundære viklingene forsynt med høyfrekvente svitsje-enheter 300, 310 som innbefatter faststoffbryteranordninger og som er innrettet for midlertidig opphakking av signaler som leveres og/eller genereres ved de primære og sekundære viklingene for å gjøre det mulig for kjernene 40, 50 å operere ved høyere vekselfrekvenser. Slik drift ved høyere frekvenser, for eksempel ved omtrent 400 Hz eller høyere, gjør det mulig for kjernene 40, 50 å være mindre og veie mindre for en gitt effektkoblingskapasitet for systemet 10.

Systemet 10 er i stand til å håndtere effektoverføring i en størrelsesorden megawatt (MW) og også romme flerfaset kraftoverføring ved å bruke flere fremspring 70, 90; for eksempel er systemet 10 i stand til å understøtte 3-fase kraftoverføring. Slik drift med høy kraft skiller seg sterkt fra nåværende kjente magnetiske koblingsanordninger som typisk kan benyttes til å koble noen få watt eller et par kilowatt (kW). I systemet 10 følger de primære og sekundære viklingene henholdsvis kjerner 40, 50 som nevnt når kjernene 40, 50 blir innbyrdes separert under drift.

Modifikasjoner av utførelsesformer av oppfinnelsen som er beskrevet i det foregående, er mulig uten å avvike fra oppfinnelsens omgang slik den er definert i de vedføyde patentkravene. Uttrykk slik som "innbefattende", "omfattende", "som innbefatter", "bestående av", "som har", "er" brukt til å beskrive og avgrense foreliggende oppfinnelse, er kun ment å skulle oppfattes på en ikke-eksklusiv måte, for også å tillate elementer, komponenter eller organer som ikke er eksplisitt beskrevet, å være til stede. Referanse til entall skal også oppfattes å være relatert til flertalls-formene. Tall som befinner seg i parentes i de vedføyde patentkravene, er ment å bidra til å forstå patentkravene og skal ikke på noen måte anses som begrensende for det som er angitt i patentkravene.

Claims (10)

1. Kraftkoblingssystem (10) for bruk under vann, omfattende minst to separerbare magnetiske kjerner (40, 50) som er opererbare når de er koblet sammen for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene (40, 50) hver er forsynt med en eller flere viklinger, karakterisert vedat de minst to separerbare magnetiske kjernene (40, 50) innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement (60, 80) som understøtter magnetiske fremspring (70, 90), hvor fremspringene (70, 90) er langstrakte og innrettet for innbyrdes kontakt mellom sine laterale sider for å tilveiebringe den magnetiske kretsen når systemet (10) er i sin sammenstilte tilstand (210).

2. System (10) ifølge krav 1, hvor fremspringene (70, 90) er langstrakte i en retning (100) som svarer til en retning (110) i hvilken kjernene (40, 50) er innbyrdes sammenkoblet og/eller frakoblet fra hverandre.

3. System (10) ifølge krav 1 eller 2, hvor fremspringene (70, 90) har en avskrådd form mot sine distale ender.

4. System (10) ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor kjernene (40, 50) er laget av minst et av: laminerte magnetisk permeable plater, magnetisk permeabel tråd, ferritt materi-aler.

5. System (10) ifølge ett av kravene 1 - 4, hvor kjernene (40, 50) er forbundet med flere viklinger for å sette systemet (10) i stand til å koble igjennom flerfaset elektrisk kraft.

6. System (10) ifølge ett av kravene 1-5, hvor viklingene er innbefattet i hule, ikke-magnetiske metallomhyllinger som innbefatter isolerende fluid, som er innrettet for å bli opprettholdt ved hovedsakelig samme trykk som et operativt under-vannsmiljø for systemet (10).

7. System (10) ifølge ett av kravene 1-6, videre innbefattende frekvensomformingsenheter (300, 310) koblet til viklingene for å muliggjøre kraftoverføring via kjernene (40, 50) ved en øket vekselstrømfrekvens.

8. System (10) ifølge ett av kravene 1-7, videre innbefattende en låsemekanisme for å holde de minst to kjernene (40, 50) sammenkoblet i en innbyrdes sammenkoblet tilstand (210).

9. Fremgangsmåte for sammenkobling av et undervannskraftkoblingssystem (10), omfattende minst to separerbare magnetiske kjerner (40, 50) som er operative når de er koblet sammen, for å danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene (40, 50) hver er forsynt med en eller flere viklinger, karakterisert vedat fremgangsmåten innbefatter: (a) å sørge for at de minst to separate magnetiske kjernene (40, 50) innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement (60, 80) som understøtter magnetiske fremspring (70, 90), hvor fremspringene (70, 90) er langstrakte; og (b) å bringe fremspringene (70, 90) i kontakt med hverandre på en innbyrdes sammenstøtende måte for å tilveiebringe den magnetiske kretsen når systemet (10) er i sin sammenstilte tilstand (210).

10. Fremgangsmåte for frakobling av et undervannskraftkoblingssystem (10) som omfatter minst to separerbare magnetiske kjerner (40, 50) som når de er koblet sammen kan danne en magnetisk krets, hvor de minst to kjernene (40, 50) hver er forsynt med en eller flere viklinger, karakterisert vedat fremgangsmåten innbefatter: (a) å sørge for at de minst to separerbare magnetiske kjernene (40, 50) innbefatter et transversalt magnetisk organarrangement (60, 80) som under-støtter magnetiske fremspring (70, 90), hvor fremspringene (70, 90) er langstrakte; og (b) å separere fremspringene (70, 90) i en sammenkoblet tilstand (210) med sine laterale sider i innbyrdes kontakt med hverandre for å bryte den magnetiske kretsen når systemet (10) er i sin frakoblede tilstand (210).