NO336645B1 - Innretning for gjennomføring av høyspent elektrisk strøm gjennom trykkbærende vegg. - Google Patents

Abstract

Keramisk penetrator for høye trykk, høye temperaturer og høye elektriske spenninger der de termiske utvidelser av lederen tas opp elastisk i en hylse slik at skadelige spenninger ikke opptrer i isolatoren.

Description

INNRETNING FOR GJENNOMFØRING AV HØYSPENT ELEKTRISK STROM GJENNOM TRYKKBÆRENDE VEGG

Oppfinnelsens tekniske område.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en penetrator for å føre elektrisk strøm gjennom veggen i en trykkbeholder eller trykkførende rør, hovedsakelig for anvendelse i undervannsanlegg for produksjon av olje og gass.

Bakgrunn for oppfinnelsen.

Den første vellykkede utviklingen av utvinning av olje og gass fra undersjøiske brønner var basert på en teknologi som innebar at man fjernet alt komplisert utstyr fra selve havbunnen. Det som ble igjen var det minimum av ventiler som skal til for å stenge brønnen. Denne fremgangsmåten krever en plattform i umiddelbar nærhet av brønnene. Alt annet utstyr enn brønnhodeventilene ble plassert på denne. Etterhvert som forekomster av olje og gass ble funnet på større dyp ble plattformene mer og mer kostbare. Dette problemet kan omgås ved å plassere prosessanlegget på land. Det krever at brønntrykket kan drive brønnstrømmen like til lands. Ulempen med dette er at det ikke er alle brønner som er energiske nok for det og selv i de mest produktive brønner vil mottrykket gjøre at en del av produksjonen tapes ettersom brønntrykket minsker når brønnene begynner å tømmes.

Det er gunstig å kunne sende brønnstrømmen direkte til lands med tilstrekkelig tykk til at den kan sendes i transportledninger direkte fra den undersjøiske installasjonen. Dette krever pumper og kompressorer. Den gunstigste metode for drift av disse er elektriske motorer for høyspenning. Motorene må plasseres inne i trykktanker både for å holde sjøvannet ute og for å hindre at brønnstrøm kan lekke ut i sjøen, Høyspent elektrisitet må kunne føres inn gjennom trykktankens vegg. Dette krever en komponent som både kan tåle høye trykk og kunne isolere for høye elektriske spenninger i kombinasjon med temperaturbelastninger.

Isolerende matenaler slik de er utviklet i henhold til kjent teknikk i landbaserte anvendelser, trenger ikke å motstå store mekaniske belastninger fra trykk eller krefter. Her har det vært anvendt plastmaterialer eller porselen. Plastmaterialer tåler ikke krefter over tid uten å sige, særlig ikke når uunngåelig elektrisk oppvarming oppstår. Porselen er varmefast og isolerer bra, men er for sprøtt til å tåle belastning og temperaturspenninger. Glass har også vært anvendt med hell i visse sammenhenger, men glassmaterialer viser også utpreget sprøhet.

Moderne keramer er både sterkere mindre spre enn glass. Slike keramer kan baseres på av aluminiumoksyd, zirkonoksyd eller silisiumnitrid. Fremstillingsmåten er forskjellig fra glass. Glass kan smeltes og støpes. Keramer sintres mens de hele tiden er i fast form. Dette gjør at mens glass enkelt kan støpes slik at de former seg til ledere og innfatninger av metall, må forbindelsen mellom keram og metalldeler utføres på en annen måte. Det er utviklet metoder for å oppnå metallisk forbindelse mot keramer og disse kommer til anvendelse i oppfinnelsen.

Et problem ved en rekke penetratorutførelser etter kjent teknikk er at lederen, som gjerne har form av en relativt lang sylindrisk stav, er omsluttet av isolatoren i en betydelig del av sin lengde. I sin alminnelighet vil lederen varmes opp av den elektriske effekt som går gjennom den. Denne oppvarming fører til utvidelse av lederen. Dette gir strekkspenninger i den omkringliggende isolator. Dette kan i noen grad avhjelpes ved å velge et isolatormateriale med samme eller noe større utvidelseskoeffisient enn materialet i lederen. På grunn av transienter og varierende varmeledningsforhold, har slike tilpasninger vist seg utilstrekkelige for installasjoner der kravene til styrke er høye.

I henhold til oppfinnelsen kan slike svakheter overvinnes ved å bruke en keramisk isolator med stor styrke i kombinasjon med en elastisk sammenføyning av leder og isolator.

Oppfinnelsen skiller seg fra kjent teknikk etter GB 1206564 A derved at temperaturutvidelser opptas elastisk.

Oppfinnelsen skiller seg fra kjent teknikk etter EP 2131371 Al derved det ikke kreves separate deler for kjøling.

Teknikk kjent fra DEI665564 anvender innstøpninger med glass.

Oppsummering av oppfinnelsen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en innretning for føring av høyspent elektrisk strøm gjennom en metallisk trykkbarriære, kjennetegnet ved de trekk som er angitt i det

vedfølgende patentkrav 1.

Utførelser av innretningen i følge patentkrav 1 for føring av høyspent elektrisk strøm gjennom en metallisk trykkbarriære, er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i de vedfølgende patentkravene 2 og 3.

Den foreliggende oppfinnelse består i å utnytte bruddstyrken i moderne høy-ytelses keramer i kombinasjon med teknikker for metallisk bonding til å forbinde en elektrisk leder til et omkringliggende trykkskrog via et elektrisk isolerende element. Forbindelsen mellom leder og isolator gjøres ved hjelp av et overgangsstykke slik at termiske utvidelser i lederen bare i begrenset grad overføres til isolatoren.

Kort beskrivelse av tegningene.

Figur 1 viser skjematisk en trykktank med en vertikal pumpe og motor med to ledere fra motorviklingen som passerer gjennom trykktankens vegg ved hjelp av penetratorer i henhold til oppfinnelsen. Tre ledere og tre penetratorer vil være typisk for trefasemotorer, det vil kreve en penetrator mer enn det som er vist i figur 1. Figur 2 viser hvorledes hoveddelene i en mulig utførelse av oppfinnelsen er plassert i forhold til hverandre.

Figur 3 viser de vesentligste detaljer i oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av opprinnelsen.

Figur 1 viser hvorledes et antall innretninger i henhold til oppfinnelsen kan plasseres i veggen i et motorhus 21 for en undervannspumpe. Pumpeaksen som er forlenget over i motoraksen 23 er som sedvanlig etter kjent teknikk å finne omtrent sentrisk i pumpe/motorhuset. Omkring motoren er arrangert statorviklinger med tilførselskabler 22 etter kjent teknikk. Det kan være en eller flere kabler. Kablene 22 føres til åpninger i motorhusveggen 21 der den er ansluttet til en penetrator i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser en innretning i henhold til oppfinnelsen kjennetegnet ved at en keramisk isolator 1 er forbundet til en metallisk flens 5. Gjennom isolatoren 1 er ført en leder 2 som er festet i isolatoren med en fast hylse 3 og en løs hylse 6.

Lederen er forbundet med kabler 12 og 13 med hylser 11 etter kjent teknikk. Kablene 12 og 13 kan også sveises eller loddes til lederen 2 etter kjent teknikk.

Figur 3 viser komponentene i en utførelse av en penetrator i henhold til oppfinnelsen.

En ledende metallstav 2 er ført gjennom en boring 10 i en isolator 1. Boringen i isolatoren 1 er større enn diameteren til den ledende metallstaven 2. I den ene enden er isolatoren 1 forsynt med en hylse 3 som er fast forbundet med både isolatoren 1 og den sentrale staven. Forbindelsen mellom lederen 2 og hylsen 3 er forskutt aksielt relativt til forbindelsen mellom hylsen 3 og isolatoren 1. Derved oppnås at termisk utvidelse av lederen 1 opptas ved elastiske forskyvninger i hylsen 3 slik at diametral temperaturutvidelse i lederen 1 bare i begrenset grad påvirker isolatoren 1. Aksial temperaturforlengelse overføres praktisk talt ikke siden den del av staven 2 som ikke er festet til hylsen 3 er fri til å bevege seg.

I den andre enden av isolatoren 1 er plassert en hylse 6 med en ansats større enn boringen 10. Hylsen 6 er forsynt med tetninger mot både i lederen 2 og isolatoren 1, men tillater en viss relativ bevegelse mellom lederen 2 og isolatoren 1. Dette gjør at indre overtrykk i boringen 10 kan begrenses samtidig som termisk ekspansjon i lederen 2 ikke fører til nevneverdige spenninger i isolatoren 1.

Isolatoren 1 er forbundet med en flens 5 via to hylser 4. Forbindelsen mellom hylse 4 og isolator 1 er aksielt forskutt i forhold til forbindelsen mellom hylse 4 og flens 5. Derved oppnås at spenningene pga termisk utvidelse i isolatoren opptas elastisk i hylsen 4 slik at spenningene reduseres i betydelig grad.

Hylsen 3 bidrar også til at varmeoverførselen til isolatoren 1 blir redusert i forhold til hva som ville vært tilfelle om lederen 2 var direkte forbundet med isolatoren 1.

Claims (3)

1. Innretning for føring av høyspent elektrisk strøm gjennom en metallisk trykkbarriære 5,karakterisert vedat en ledende stav 2 er metallisk forbundet med en keramisk isolator 1 via en første hylse 3 i en ende av isolatoren 1 der en innfesting mellom keramet til isolatoren 1 og den første hylsen 3 og en innfesting mellom den første hylsen 3 og den ledende staven 2 er aksielt forskutt i forhold til hverandre, og der isolatoren 1 og trykkbarriæren 5 er forbundet med minst en andre hylse 4 i en midte av isolatorens 1 der en innfesting mellom keramet til isolatoren 1 og den andre hylsen 4 og en innfesting mellom den andre hylsen 4 og trykkbarriæren 5 er aksielt forskutt i forhold til hverandre.

2. Innretning etter krav 1, karakterisert vedat isolatoren er laget av keramer basert på oksyder av aluminium eller zirkonium, eller på silisiumnitrid.

3. Innretning etter krav 1, karakterisert vedat en tetningshylse 6 med elastomere tetninger etter kjent teknikk er anvendt for å forhindre trykk i en boring 10 i isolatoren 1 uten at en temperaturutvidelse av den ledende staven 2 forhindres.