NO324576B1 - Arrangement for undervannstransformator - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører et undervanns transformatorsystem som omfatter en stor transformator (1) inneholdt i en tank (2), der tanken (2) er fylt med et isolerende medium (3), der systemet videre omfatter minst én kompensatorenhet (4), der kompensatorenheten(e) (4) er innrettet for å ta seg av volumendringer i det isolerende mediet (3) som følge av termisk ekspansjon og krymping, der kompensatorenheten(e) (4) står i fluidkommunikasjon med tanken (2) via et rørsystem (6). Systemet er kjennetegnet ved at rørsystemet (6) er innrettet slik at det danner en oljelås (7) mellom tanken (2) og den minst ene kompensatorenheten (4), mens det samlede volumet til den minst ene kompensatorenheten (4) og rørsystemet (6) på utsiden av oljelåsen (7), i forhold til tanken (2), svarer til forskjellen i volumet til det isolerende mediet (3) i hovedtanken (2) mellom når systemet er nede og når systemet kjører med full last.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et undervanns transformatorsystem som innbefatter en stor transformator inneholdt i en tank.

Moderne olje- og gassproduksjon anvender i økende grad undervanns-installasjoner der oppsamling, separasjon, trykksetting og transport av produksjonsfluider skjer på havbunnen. Denne prosessen krever store mengder kraft som må overføres fra en fjernlokasjon til undervannsutstyr med passende spennings- og strømnivåer for å minimere effekttapet. Transporten av denne kraften skjer fortrinnsvis under høy spenning og lav strøm for å sikre minimale tap. Når kraften kommer til undervannslokasjonen, må den gjøres om til mer anvendelige spennings- og strømnivåer for de forskjellige anvendelsene under vann, så som drift av pumper, kompressorer etc. Det store kraftforbruket gir behov for store transformatorer som må være inneholdt i et beskyttende miljø inne i en større tank. Transformatortanken må være fylt med et isolerende medium som sikrer optimale driftsforhold for transformatoren i mange år. Det foretrukne isolasjonsmedium omfatter transformatorolje som forebygger varme-dissipasjon og hindrer kortslutning og overslag. Transformatorens størrelse krever en oljefylt tank med en størrelse i området 10-50 kubikkmeter, som inneholder 10-50 000 liter transformatorolje. Varmen som genereres av transformatoren og egenskapene til typiske transformatoroljer, resulterer i en ekspansjon av oljen i størrelsesorden kubikkmeter. Denne ekspansjonen må håndteres på en eller annen måte av et ekspansjonssystem. Etter hvert som størrelsen til en transformatortank øker, øker også ekspansjonsproblemet, noe som gir behov for nye løsninger.

US 2004051615 vedrører et system for fordeling av elektrisk kraft mellom et overføringssystem og lokale forbrukere, spesielt i et undervannsmiljø. Systemet omfatter en transformator anordnet i et første kammer, der det første kammeret er fylt med et isolerende medium, og en fordelingsenhet anordnet i et andre kammer, der det andre kammeret også er fylt med et isolerende medium, der det isolerende mediet i det første kammeret er atskilt fra det isolerende mediet i det andre kammeret. Systemet omfatter en første volumkompenseringsanordning for å utlikne trykket mellom de isolerende mediene i de to enhetene, og en andre volumkompenseringsanordning for å utlikne trykket mellom enhetene og saltvannet rundt. Systemet omfatter således et to-trinns volumkompenseringssystem som innbefatter minst to forskjellige volum-kompenseringsanordninger, der den første volumkompenseringsanordningen omfatter en fleksibel membran og den andre volumkompenseringsanordningen omfatter en kompensatorenhet med en fleksibel membran og/eller et stempel. Systemet ifølge US 2004051615 gir ikke mulighet for å skifte ut defekte komponenter.

US 6456179 vedrører en transformator utformet spesielt for undervannsbruk, hvilken transformator omfatter en transformatorkjerne og dens vikling anbrakt i en første beholder fylt med et isolerende medium, idet den øvre overflaten for beholderen er forsynt med trykkfaste bøssinger for forbindelseskabler til transformatoren, en andre beholder fylt med et isolerende medium og midler for å utligne trykket mellom det isolerende mediet i den andre beholderen og transformatoromgivelsene. Ifølge oppfinnelsen er den andre beholderen anordnet til fullstendig å omslutte den første beholderen, og den andre beholderen er forsynt med trykkfaste kabelbøssinger og assosierte konnektorer for ekstern elektrisk forbindelse med transformatoren.

Det er behov for et ekspansjonssystem med tilstrekkelig kapasitet til å kompensere for volumendringer som er en god del større enn det de tradisjonelle løsningene er i stand til å kompensere for. Dette ekspansjons-systemet må være robust, hovedsaklig vedlikeholdsfritt og, dersom vedlikehold er nødvendig, intervensjonene må være lett å gjennomføre med et minimum av nedetid.

Foreliggende oppfinnelses krav 1 tilveiebringer et slikt system. Ytterligere utførelsesformer og foretrukne trekk er angitt i de avhengige kravene. Figur 1 viser en prinsippskisse av én mulig utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur 1 viser en stor transformator 1 inneholdt i en tank 2. Kapasiteten til transformatoren 1 er typisk i området fra 10-100 MW, og tanken 2 har en størrelse i området 10-50 kubikkmeter. Tanken er fylt med et isolerende medium 3, og ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse omfatter det isolerende mediet 3 hygroskopisk transformatorolje som beholder sine nødvendige elektriske egenskaper selv med betydelig vanninnhold. Typisk transformatorolje kan inneholde 2,5-3,5 % vann uten å miste sine egenskaper.

Antatt at tanken 2 er omtrent 50 kubikkmeter og inneholder omtrent 50000 liter transformatorolje 3 som skal kjøles og isolere en transformator på 75 MW, vil den termiske ekspansjonen av oljen typisk føre til en volumøkning i størrelsesorden 1-2 kubikkmeter, dvs. 1000-2000 liter. Ifølge foreliggende oppfinnelse er én eller flere kompensatorenheter 4 anordnet i nærheten av tanken 2, der kompensatorenheten eller -enhetene 4 står i fluidkommunikasjon med tanken 2 via ett eller flere rør 6. Ifølge foreliggende oppfinnelse er kapasiteten og dimensjonene til røret eller rørene 6 slik at ekspansjonsvolumet bare vil fortrenge en del av fluidet i røret eller rørene 6. Røret eller rørene 6 er innrettet for å danne en oljelås 7, og systemet kan også omfatte én eller flere buffertanker 8, fortrinnsvis i nærheten av oljelåsen 7. Buffertankene 8 er ikke nødvendige, det som er viktig er at det totale volumet til kompensatorenheten(e) 4, røret/rørene 6 og eventuelle buffertanker 8 er korrekt dimensjonert i forhold til volumforskjellen i hovedtanken 2 mellom når systemet er nede og når systemet har full last. Volumet til kompensatorenheten(e) 4 og rørsystemet 6 utenfor den såkalte oljelåsen 7, i forhold til tanken 2, må i hvert fall svare til volumforskjellen i hovedtanken 2 mellom når systemet er nede og når systemet er i full drift. Når systemet er nede, forsynes ikke transformatoren med kraft, og oljen 3 inne i tanken 2 og kompenseringssystemet kjøles ned til omgivelsestemperaturen i sjøvannet rundt transformatorsystemet.

Kompensatorenheten 4 kan typisk omfatte en belg 9 av et fleksibelt materiale, et stempel eller liknende. Kompensatorenheten 4 vil være det mest sårbare elementet i systemet, som følge av de strukturelle egenskapene til f.eks. en belg og de nødvendige kontinuerlige bøyningene eller bevegelsene som vil kunne føre til utmattingssvikt i f.eks. belgen 9 eller en annen lekkasjevei. Kompensatorenheten eller -enhetene 4 må være i stand til å ta seg av ovennevnte volumøkning, og i én utførelsesform vil systemet omfatte 2 kompensatorenheter 4 i form av belger, hver med et ekspansjonsvolum på 1000-2000 liter. Kompensatorenhetene 4 er hver utstyrt med en avstengningsventil 5, og systemet er konstruert for å fungere med enten én av kompensatorenhetene 4 alene, eller med begge kompensatorenhetene 4. Denne utførelsen sikrer redundans, og ved at begge ekspansjonsenhetene anvendes samtidig trenger belgen 9 kun bevege seg innenfor et begrenset område, slik at sannsynligheten for utmattingssvikt reduseres.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det et viktig trekk at systemet tillater lekkasje i den ene av eller begge kompensatorenhetene uten risiko for systemsvikt. Utførelsen av systemet er robust nok til å tillate at f.eks. en belg revner uten at vann raskt trenger inn i tanken 2, blander seg med transformatorolje og forårsaker kortslutning i transformatoren 1. Denne systemutføreisen gjør at systemet kan kjøre med full kapasitet i lange tidsperioder selv med en betydelig lekkasje i kompensatorenheten. Dette muliggjøres gjennom dimensjonen og kapasiteten til rørsystemet som forbinder tanken 2 med kompensatorenhetene 4, samt ovennevnte oljelås 7. Oljelåsen 7 utgjøres av en rørsløyfe som går høyere enn både tanken 2 og kompensatorenheten eller -enhetene 4, og dermed fanger transformatorolje og hindrer vann i å trenge gjennom oljen i røret fra kompensatorenheten og inn i tanken 2. Den delen av rørsystemet som går fra kompensatorenheten til oljelåsen 7, må ha stort nok volum til å inneholde alt vannet i en fullstendig oppsprukket kompensatorenhet, selv om temperaturen i transformatoroljen skulle falle til temperaturen i sjøvannet rundt og oljevolumet dermed reduseres med omtrent 1000-2000 liter, dvs. at volumet til denne delen av rørsystemet, eventuelt sammen med en buffertank 8, må være større enn 1000-2000 liter.

Åpningen 10 til rørsystemet 6 inn i tanken 2 befinner seg fortrinnsvis lavere enn transformatoren, slik at vann som trenger inn i tanken 2 raskt kan samle seg i bunnoppsamlingen 12 uten at det er nødt til å synke gjennom og dispergeres i transformatoroljen 3.

Ettersom oljene som anvendes som regel er lettere enn vann, vil det dannes en olje/vann-skilleflate 11 på kompensatorenhetens side av oljelåsen 7 dersom en svikt skulle oppstå i den ene av eller begge kompensatorenhetene, og denne skilleflaten, sammen med det betydelige volumet til rørsystemet på hver side av oljelåsen 7, vil hindre at store mengder vann, i form av vannplugger, trenger inn i tanken, uansett hvor stor lekkasjen i kompensatorenheten eller -enhetene 4 er. Over tid vil olje/vann-skilleflaten 11 føre til en viss inntregning av vann i det isolerende mediet 3 som følge av den hygroskopiske beskaffenheten til isolasjonsoljen, men overflatearealet til olje/vann-skilleflaten og oljens vann-absorbsjonsrate, sammen med det totale volumet av olje i tanken, sikrer at systemet kan kjøre med maksimal kapasitet over lange tidsperioder selv ved full svikt av en belg i en kompensatorenhet. Systemet kan også kjøre med maksimal kapasitet over lange tidsperioder etter at en undersøkelse eller periodisk inspeksjon av systemet avslører lekkasjen, inntil operatøren finner det hensiktsmessig å fikse problemet som har oppstått.

Dersom det anvendes et isolasjonsmedium som er tyngre enn sjøvann, forstår man at rørsystemet 6, åpningen 10, oljelåsen 7, etc. kan gjøres omvendt, slik at oljelåsen dermed danner et lavt punkt i stedet for et høyt punkt, som følge av tyngdekraften. Bortsett fra dette er oppfinnelsens hovedprinsipper de samme.

I tilknytning til oljelåsen 7 kan det være anordnet en vannfiltreringsenhet 14. Når isolasjonsmediet passerer gjennom vannfiltreringsenheten, blir vann filtrert ut ved hjelp av for eksempel silisiumdioksid (silicon dioxide) eller et tilsvarende absorberende stoff.

Dersom systemet omfatter to kompensatorenheter 4 og det påvises en lekkasje i én av dem, kan operatøren stenge av kompensatorenheten permanent ved å lukke dens avstengningsventil 5, eller skifte ut den defekte kompensatorenheten med en ny enhet ved å stenge av dens avstengningsventil, koble fra enheten og sette inn en ny enhet.

Dersom systemet omfatter to kompensatorenheter 4 og det påvises lekkasje i begge, en situasjon som anses som nokså usannsynlig, kan operatøren stenge av én av de defekte kompensatorenhetene ved å stenge dens avstengningsventil 5, og la den andre enheten fortsatt være i drift mens den første kompensatorenheten byttes ut, og deretter enten stenge av den andre defekte enheten permanent eller bytte ut også den andre enheten.

Lekkasjer vil typisk bli funnet under gjennomsyn eller periodiske inspeksjoner av systemet. Kompensatorenhetene kan omfatte et varslingssystem, f.eks. et flyteelement i kombinasjon med en måler. Under en periodisk inspeksjon kan avstengningsventilen tilknyttet en kompensatorenhet bli lukket mens det gjøres en avlesning av måleren. Kompensatorenheten får så stå en periode, f.eks. 24 timer eller en uke, og deretter foretas en ny avlesning. Dersom måleren har steget, indikerer dette at kompensatorenheten har en lekkasje. Samme prosess kan da bli gjennomført med den andre enheten. Betjening av avstengningsventilen og avlesning av måleren gjøres fortrinnsvis av en ROV. Det er også mulig å anvende et elektronisk målesystem som kan overvåkes fra overflaten, men bruk av slike anordninger sammen med kraftforsyninger, sendere, kabler etc. anses å innføre flere potensielle feilkilder. Andre metoder for å detektere inntrengning av vann i systemet kan også anvendes, f.eks. elektriske målinger av transformatoren som avslører redusert isolasjon av transformatoren som følge av høye nivåer av vann i det isolerende mediet 3. Slike metoder krever vanligvis at systemet tas ut av drift i en periode.

Hovedtanken 2 kan være utstyrt med en vannoppsamling 12 som samler opp vann dersom vanninnholdet i det isolerende mediet overstiger det nivået det er i stand til å holde på og vann utskilles fra det isolerende mediet 3. Det utskilte vannet vil da synke ned i tanken og samles i oppsamlingen, noe som sikrer videre drift av transformatoren i lang tid inntil neste gjennomsyn eller periodiske inspeksjon. Oppsamlingen kan også være utstyrt med en vannstandsmåler som kan leses av fra utsiden av en ROV.

Tanken kan også være utstyrt med en utvendig kobling 13 som kan anvendes for å tømme den kontaminerte transformatoroljen fra tanken. Ved kobling av passende rør til muffen 13 og koblingspunkter mellom kompensatorenhetene 4 og rørsystemet 6, kan den kontaminerte transformatoroljen sirkuleres ut av tanken og erstattes med ny, ren olje.

Man forstår at systemets pålitelighet er et resultat av flere faktorer. Systemet krever ikke at noen enkeltdeler i systemet er fullstendig vanntette for å sikre vedvarende optimal drift. Systemet omfatter flere "sikkerhetstrekk" mot inntrengende vann. Det første sikkerhetstrekket er den ubrutte vannsperren i form av et uskadd system. Det andre sikkerhetstrekket er det totale volumet til kompensatorenheten(e) 4 og rørsystemet 6 utenfor oljelåsen 7, eventuelt i sammen med én eller flere buffertanker 8. Det tredje sikkerhetstrekket er oljelåsen 7, som har en utførelse som vanskeliggjør inntrengning og passasje av vann fra en mulig defekt kompensatorenhet 4 inn i tanken 2. Det fjerde sikkerhetstrekket kan omfatte vannfilteret 14. Det femte sikkerhetstrekket er den hygroskopiske transformatoroljen 3 som danner det isolerende mediet i systemet og sikrer full drift av systemet i en lang tidsperiode selv om noe vann slipper inn i systemet. En "lang tidsperiode" kan i denne sammenhengen være en periode på ett eller to år. Det sjette sikkerhetstrekket kan være vannopp-samlingen 12, som sikrer at fritt vann som skilles ut fra vannmettet olje 3 blir samlet opp i bunnen av tanken 2 og ytterligere forsinker tidspunktet for når det stigende vannivået i tanken når transformatorviklingene og forårsaker full systemsvikt. Siden systemet kan kjøre med full kapasitet i lange perioder selv med for eksempel en fullstendig ødelagt kompensatorenhet 4, har operatøren rikelig med tid til å fikse problemet dersom han i det hele tatt finner det nødvendig. Dersom en gjennomgang eller en periodisk inspeksjon avslører en lekkasje når det går mot slutten av systemets levetid, kan operatøren til og med gi blaffen lekkasjen siden han vet at de forskjellige sikkerhetstrekkene vil sikre at systemet holder lenger enn resten av systemets levetid.

Claims (6)

1. Undervanns transformatorsystem, omfattende en stor transformator (1) inneholdt i en tank (2), der tanken (2) er fylt med et isolerende medium (3), der systemet videre omfatter minst én kompensatorenhet (4), der kompensatorenheten(e) (4) er innrettet for å ta seg av volumendringer i det isolerende mediet (3) som følge av termisk ekspansjon og krymping, der kompensatorenheten(e) (4) står i fluidkommunikasjon med tanken (2) gjennom et rørsystem (6), karakterisert ved at rørsystemet (6) er innrettet slik at det danner en oljelås (7) mellom tanken (2) og den minst ene kompensatorenheten (4), mens det totale volumet til den minst ene kompensatorenheten (4) og rørsystemet (6) på utsiden av oljelåsen (7), i forhold til tanken (2), svarer til forskjellen i volumet til det isolerende mediet (3) i hovedtanken (2) mellom når systemet er nede og når systemet kjører med full last.

2. Undervanns transformatorsystem ifølge krav 1, karakterisert ved at oljelåsen (7) er dannet av rørsystemet (6) ved at en del av rørsystemet (6) ligger betydelig høyere enn tanken (2) og den minst ene kompenseringsenheten (4).

3. Undervanns transformatorsystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det isolerende mediet (3) omfatter en hygroskopisk transformatorolje, der den hygroskopiske transformatoroljen kan inneholde en betydelig mengde vann uten å miste sine elektriske egenskaper.

4. Undervanns transformatorsystem ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at tanken (2) omfatter en vannsumptank (12).

5. Undervanns transformatorsystem ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den minst ene kompensatorenheten (4) omfatter en vannstandsmåler og en avstengningsventil (5).

6. Undervanns transformatorsystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at systemet, mellom den minst ene kompensatorenheten (4) og tanken (2), omfatter én eller flere buffertanker (8) på utsiden av oljelåsen (7), i forhold til tanken (2), for å bidra til å sikre at det totale volumet til den minst ene kompensatorenheten (4), rørsystemet (6) og én eller flere buffertanker (8) på utsiden av oljelåsen (7), i forhold til tanken (2), svarer til forskjellen i volumet til det isolerende mediet (3) i hovedtanken (2) mellom når systemet er nede og når systemet kjører med full last.