Герметичный ввод для электрического провода

Изобретение относится к герметичному вводу для электрического провода. Герметичный ввод для введения электрического провода в камеру высокого давления содержит корпус и проходящий через него электрический провод, причем между корпусом и электрическим проводом расположен керамический изолятор, который, образуя коническую плоскость разъема, разделен на первый обращенный к электрическому проводу сегмент и второй обращенный к корпусу сегмент, а между обоими сегментами расположена арматура из электропроводящего материала, которая соединена с обоими сегментами и корпусом. Техническим результатом является улучшение герметизирующих свойств. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к герметичному вводу для электрического провода в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы.

Уровень техники

Из практики уже известно, что с помощью проходящего через стенку напорного резервуара герметичного ввода для провода электрической энергией питается расположенный внутри напорного резервуара приводной блок. Так, например, для транспортировки природного газа принято с помощью приводного двигателя, расположенного в заполненном природным газом напорном резервуаре, приводить также расположенный в нем компрессор, чтобы сжимать и при этом сжижать транспортируемый через компрессор природный газ. При этом для приводного двигателя необходимо вводить электрическую энергию снаружи по электрическому проводу в напорный резервуар, причем герметичный ввод для провода гарантирует, что природный газ не улетучится из напорного резервуара в окружающее его пространство.

Из ЕР 1675241 A1 известен герметичный ввод для провода, причем раскрытый здесь ввод содержит корпус, герметизированный от стенки напорного резервуара, а в корпусе проходит электрический провод, который служит для питания электрической энергией расположенного в напорном резервуаре приводного блока.

Известные до сих пор вводы для провода обеспечивают, правда, в.определенной степени герметичный ввод электрического провода в камеру высокого давления для питания электрической энергией расположенного в ней потребителя, однако они имеют множество недостатков.

Так, известные до сих пор герметичные вводы имеют тот недостаток, что могут возникнуть нежелательные электрические частичные разряды или электрические пробои, ухудшающие функциональную надежность. Кроме того, известные до сих пор герметичные вводы имеют тот недостаток, что они в определенной степени допускают проникновение газов (например, кислорода, водорода, гелия, диоксида углерода, азота, углеводородов и газов, содержащихся в малых количествах), вследствие чего герметичность ввода ограничена. Другие неплотности могут образоваться за счет механических и термических напряжений между отдельными узлами ввода. Кроме того, в известных из практики герметичных вводах возникает та проблема, что в случае механического отказа ввода отдельные узлы, например электрический провод, могут отделиться и вследствие высокого давления в камере попасть наподобие снаряда в атмосферу.

Раскрытие изобретения

В основе изобретения лежит задача создания нового герметичного ввода для электрического провода. Эта задача решается признаками п. 1 формулы изобретения. Согласно изобретению, между корпусом и электрическим проводом расположен керамический изолятор, причем он, образуя коническую плоскость разъема, разделен на первый обращенный к электрическому проводу и второй обращенный к корпусу сегменты, а между обоими сегментами расположена арматура из электропроводящего материала, которая соединена с обоими сегментами и корпусом.

За счет того, что предложенный ввод содержит составной керамический изолятор, плоскость разъема которого имеет между обоими сегментами конический контур, функциональные требования к электрической изоляции ввода и к герметичности относительно находящейся в камере высокого давления среды могут быть выполнены функционально отдельно и одновременно.

Керамический изолятор препятствует проникновению газов через ввод и обладает поэтому лучшими герметизирующими свойствами. Кроме того, разделение керамического изолятора на два сегмента с образованием конической плоскости разъема обеспечивает оптимальную передачу механического давления на корпус ввода. Конический контур поверхности разъема обоих сегментов в комбинации с расположенной между ними наподобие сэндвича арматурой создает оптимальный путь силовых линий в вводе, благодаря чему можно избежать нежелательных электрических частичных разрядов или электрических пробоев.

Следовательно, предложенный ввод позволяет избежать недостатков уровня техники.

Согласно одному предпочтительному варианту, между первым обращенным к электрическому проводу сегментом и электрическим проводом образован зазор порядка 0,01-0,1 мм, в частности порядка 0,03-0,05 мм.

Регулируя такой определенный зазор между электрическим проводом и изолятором, можно избежать вызванных разным тепловым расширением соответствующих конструктивных элементов ввода термических и механических напряжений.

Преимущественно первый обращенный к электрическому проводу сегмент металлизирован на обращенной к электрическому проводу внутренней поверхности.

Кроме того, за счет этого, в частности в комбинации с металлизацией обращенной к электрическому проводу внутренней поверхности первого сегмента, можно предотвратить электрические частичные разряды в зазоре. Они могут привести, в конце концов, к электрическому пробою.

Согласно другому предпочтительному варианту, электрический провод, керамический изолятор и корпус имеют ступенчатые диаметры. Электрический провод имеет на участке со стороны камеры высокого давления больший наружный диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления, а именно таким образом, что участок электрического провода со стороны камеры высокого давления охватывает сзади участок керамического изолятора также со стороны камеры высокого давления. Корпус имеет на участке со стороны камеры высокого давления больший внутренний диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления, таким образом, что участок корпуса со стороны камеры низкого давления охватывает сзади средний участок керамического изолятора.

Эта ступенчатость диаметров электрического провода, керамического изолятора и корпуса гарантируют, что в случае механического отказа ввода ни один из его конструктивных элементов не попадет наподобие снаряда в окружающее пространство. Напротив, в случае механического отказа ввода корпус удерживает в положении как керамический изолятор, так и электрический провод.

Согласно другому предпочтительному варианту, на конце ввода со стороны камеры высокого давления расположена первая заливочная масса, которая обладает очень высокой химической стойкостью, высокой температуростойкостью, высокой упругостью после отверждения и высокой электрической прочностью, причем первая заливочная масса на отдельных участках окружает керамический изолятор и электрический провод. Рекомендуется применять первую заливочную массу (например, эпоксидную смолу или полиуретан) с наполнителем из порошкообразной неорганической изолирующей системой (например, Al₂O₃ или TiO₂). На конце ввода со стороны камеры низкого давления расположена вторая заливочная масса (например, силикон) со свойствами высокой температуростойкости, высокой упругости после отверждения и высокой электрической прочности, причем вторая заливочная масса на отдельных участках окружает керамический изолятор и электрический провод.

Применение первой заливочной массы на конце ввода со стороны камеры высокого давления и второй заливочной массы на конце ввода со стороны камеры низкого давления повышает герметичность ввода.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы и нижеследующем описании. Примеры осуществления изобретения без его ограничения ими более подробно поясняются со ссылкой на чертеж, на единственной фигуре которого изображено схематичное сечение предложенного ввода.

Изобретение относится к герметичному вводу, который служит для пропускания электрического провода через стенку напорного резервуара, причем стенка напорного резервуара отделяет камеру низкого давления или окружающее напорный резервуар снаружи пространство от камеры высокого давления внутри напорного резервуара. Через ввод расположенный в напорном резервуаре электрический потребитель, например электропривод, может питаться электрической энергией.

Краткое описание чертежа

На фиг. 1 изображен фрагмент сечения примера выполнения герметичного ввода 1, который служит для пропуска электрического провода 2 через стенку напорного резервуара, отделяющую камеру низкого давления или окружающее пространство и камеру высокого давления, причем электрический провод 2 радиально снаружи на отдельных участках окружен электрическим изолятором 3, который радиально снаружи на отдельных участках окружен корпусом 4 ввода 1.

Осуществление изобретения

Через корпус 4 ввод 1 вставляется в стенку напорного резервуара, причем пазы 5 в корпусе 14 служат для размещения уплотнительных колец, чтобы герметизировать корпус 4 от стенки напорного резервуара.

Изолятор 3, расположенный между корпусом 4 и электрическим проводом 2, выполнен в виде керамического изолятора, преимущественно из керамики на основе оксида алюминия. Такой керамический изолятор 3 препятствует проникновению газов, в частности углеводородов и газов, содержащихся в малых количествах, например H₂S и Hg, так что отсутствует опасность того, что вследствие проникновения такие газы попадут из камеры высокого давления в зону камеры низкого давления или в окружающее напорный резервуар пространство.

Керамический изолятор 3 разделен с образованием конической плоскости разъема 6 на два сегмента, а именно на первый обращенный к электрическому проводу 2 сегмент 7 и второй обращенный к корпусу 4 сегмент 8. Между этими обоими сегментами 7, 8, по меньшей мере, в зоне плоскости разъема 6 проходит арматура 9 из электропроводящего материала. Преимущественно эта арматура 9 изготовлена из меди или медного сплава.

За счет разделения керамического изолятора 3 на два сегмента 7, 8 с образованием конической плоскости разъема 6 возможна оптимальная передача действующего на изолятор 3 и/или на электрический провод 2 давления на корпус 4. Ввод 1 обеспечивает, тем самым, хорошую механическую передачу давления на корпус 4 и потому невосприимчив к механическим нагрузкам.

Арматура 9, проходящая в зоне конической плоскости разъема 6 между обоими сегментами 7, 8, размещена наподобие сэндвича между ними, причем эта арматура 9 из электропроводящего материала обеспечивает путь электрических силовых линий, который с учетом краевых условий высоковольтной техники позволяет избежать электрических частичных разрядов и электрических пробоев. В частности, в зоне керамического изолятора 3 обеспечивается оптимальный путь силовых линий.

Поверхности разъема 10 обоих сегментов 7, 8 керамического изолятора 3, образующие коническую плоскость разъема 6, металлизированы, т.е. снабжены металлическим покрытием, причем арматура 9 из электропроводящего материала посредством металлизированных поверхностей разъема 10 обоих сегментов 7, 8 соединена пайкой с керамическим изолятором 3. Это обеспечивает оптимальное соединение арматуры 9 с его обоими сегментами 7, 8, а именно с предотвращением механических и термических напряжений вследствие соединения. За счет этого, следовательно, герметичный ввод 1 невосприимчив к знакопеременным и механическим нагрузкам.

Арматура 9 проходит не только в зоне плоскости разъема 6 между обоими сегментами 7, 8, но и одним участком вне нее, причем проходящий вне плоскости разъема 6 участок арматуры 9 соединен с участком корпуса 4 сваркой, а именно с образованием сварного шва 11. Это сварное соединение 11 между арматурой 9 и корпусом 4 осуществляется в зоне конца корпуса 4 со стороны камеры высокого давления.

Конец ввода 1 со стороны камеры высокого давления обозначен поз. 12, а его конец со стороны камеры низкого давления - поз. 13.

При этом конец 12 ввода 1 со стороны камеры высокого давления совпадает с концом электрического провода также со стороны камеры высокого давления. Конец 13 ввода 1 со стороны камеры низкого давления совпадает с концом электрического провода также со стороны камеры низкого давления.

Конец 12′ керамического изолятора 3 со стороны камеры высокого давления и его конец 13′ со стороны камеры низкого давления смещены назад соответственно относительно конца 12 со стороны камеры высокого давления и конца 13 электрического провода 2 со стороны камеры низкого давления, так что электрический провод 2 выступает в обе стороны относительно керамического изолятора 3. Точно так же конец 12′′ корпуса 4 со стороны камеры высокого давления смещен назад относительно конца 12′ керамического изолятора 3 также со стороны камеры высокого давления, а конец 13′′ корпуса 4 со стороны камеры низкого давления - относительно конца 13′ керамического изолятора 3 также со стороны камеры низкого давления, так что керамический изолятор 3 выступает в обе стороны относительно корпуса 4.

Преимущественно между обращенным к электрическому проводу 2 сегментом 7 керамического изолятора 3 и электрическим проводом 2 образован зазор 17 порядка 0,01-0,1 мм, в частности порядка 0,03-0,05 мм.

Керамический изолятор 3, а именно его обращенный к электрическому проводу 2 сегмент 7, на обращенной к электрическому проводу 2 внутренней поверхности 14 металлизирован, т.е. покрыт металлом. Это позволяет избежать, в частности, термических нагрузок вследствие термических знакопеременных нагрузок, а, с другой стороны, можно улучшить путь электрических силовых линий.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, электрический провод 2, керамический изолятор 3 и корпус 4 имеют ступенчатые диаметры. Электрический провод 2 имеет на участке со стороны камеры высокого давления больший наружный диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления, а именно таким образом, что участок электрического провода 2 со стороны камеры высокого давления охватывает сзади участок керамического изолятора 3 также со стороны камеры высокого давления.

Так, видно, что эта ступенчатость наружного диаметра электрического провода 2 выполнена в зоне конца 13′ керамического изолятора 3 со стороны камеры высокого давления, причем в этой зоне между электрическим проводом 2 и керамическим изолятором 3 расположена дополнительная арматура 15 из электропроводящего материала.

Эта дополнительная арматура 15 имеет L-образное сечение, причем обращенная к ней поверхность керамического изолятора 3 на своем конце 12′ со стороны камеры высокого давления металлизирована для хорошего соединения пайкой между керамическим изолятором 3 и дополнительной арматурой 15, которое, как и паяное соединение между арматурой 9 и обоими сегментами 7, 8 в зоне конической поверхности разъема 6, невосприимчиво к термическим знакопеременным нагрузкам.

Как уже сказано, арматура 9 соединена не только посредством пайки в зоне конической поверхности разъема 6 с обоими сегментами 7, 8, но и посредством сварки с корпусом 4 в зоне конца 12′ корпуса 4 со стороны камеры высокого давления.

Точно так же дополнительная арматура 15 соединена не только посредством пайки с сегментом 7 керамического изолятора 3, но и посредством сварки с электрическим проводом 2, причем сварное соединение между ним и дополнительной арматурой 15 обозначено поз. 18.

Сварное соединение 18 между электрическим проводом 2 и дополнительной арматурой 15 осуществляется, следовательно, в зоне имеющего больший наружный диаметр участка электрического провода 2 со стороны камеры высокого давления.

Корпус 4 имеет ступенчатый диаметр, причем корпус 4 имеет на участке со стороны камеры высокого давления больший внутренний диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления. Эта ступенчатость внутреннего диаметра корпуса 4 осуществлена в зоне среднего участка 19 керамического изолятора 3 или корпуса 4, причем участок корпуса 4 со стороны камеры низкого давления меньшего внутреннего диаметра охватывает сзади средний участок 19 керамического изолятора 3.

Между соответствующими друг другу поверхностями керамического изолятора 3 и корпуса 4 расположен элемент 20 из электропроводящего материала, задачей которого является компенсация поверхностных неровностей между корпусом 4 и изолятором 3, так что в изоляторе 3 не возникает никаких недопустимых механических напряжений.

Благодаря ступенчатости диаметров электрического провода 2, керамического изолятора 3 и корпуса 4 в случае механического отказа ввода 1 электрический провод 2 и керамический изолятор 3 удерживаются в своем положении и, будучи обусловлены высоким давлением в камере высокого давления, не могут попасть наподобие снаряда в окружающее пространство, травмировать находящихся в нем людей или повредить расположенные в нем предметы.

Дополнительно к уже упомянутым электрическому проводу 2, керамическому изолятору 3, корпусу 4, обеим арматурам 9, 15 и элементу 20 из электропроводящего материала ввод 1 содержит две заливочные массы, а именно первую заливочную массу 21 (например, из эпоксидной смолы) на конце со стороны камеры высокого давления, причем эта заливочная масса 21 радиально снаружи окружает на отдельных участках керамический изолятор 3 и электрический провод 2 на соответствующем конце 12, 12′ со стороны камеры высокого давления. Вторая заливочная масса 22 (например, из силикона) расположена на конце со стороны камеры низкого давления и окружает на отдельных участках керамический изолятор 3 и электрический провод 2 на соответствующем конце 13, 13′ со стороны камеры низкого давления.

Первая заливочная масса 21 в зоне конца со стороны камеры высокого давления обладает хорошей химической стойкостью, высокой температуростойкостью, небольшой объемной усадкой, небольшой водорастворимостью и высокой электрической прочностью. Вторая заливочная масса 22 на конце со стороны камеры низкого давления обладает высокой температуростойкостью, небольшой вязкостью и высокой электрической прочностью.

Как уже сказано, ступенчатые диаметры электрического провода 2, керамического изолятора 3 и корпуса 4 предпочтительны, чтобы в случае механического отказа ввода 1 удерживать его отдельные узлы в их положении и предотвратить, таким образом, чтобы отдельные узлы, будучи обусловлены господствующим в камере высокого давления высоким давлением, не могли бесконтрольно и наподобие снаряда попасть в окружающее пространство.

Другое преимущество ввода 1 заключается в том, что вследствие своего конструктивного выполнения он подвержен лишь небольшим напряжениям, в частности напряжениям сдвига, поскольку механические и термические нагрузки поддерживаются на низком уровне.

Так, сварка арматур 9, 15 соответственно с корпусом 4 и электрическим проводом 2 осуществляется без напряжений и с материальным замыканием, причем соединение арматуры 9 с геометрическим замыканием осуществляется со стальной втулкой на верхней стороне и сбоку на арматуре и, кроме того, с электрическим проводом 2.

Сварка осуществляется преимущественно с применением восстановленной аргоновой атмосферой посредством лазера во избежание окислений. За счет этого можно избежать образования так называемых раковин и других дефектов сварки при выполнении сварных соединений 11, 18 между арматурами 9, 15 и соответственно корпусом 4 и электрическим проводом 2. Сварные соединения 11, 18 отличаются высокой герметичностью и небольшой интенсивностью утечки газов (обычно менее 1*10^-9 мбар/с^-1, например, для гелия).

Паяное соединение между арматурой 9 и изолятором 3, а также паяное соединение между ним и дополнительной арматурой 15 осуществляется посредством соответственно металлизированных поверхностей в зоне керамического изолятора 3, благодаря чему можно также избежать механических напряжений при соединении соответствующих отдельных частей ввода 1. Пайка осуществляется в глубоком вакууме. При этом можно избежать воздушных включений или газовыделений на соединяемых пайкой конструктивных элементах.

Паяные и сварные соединения отличаются высокой герметичностью и небольшой интенсивностью утечки газов.

Заливка заливочными массами 21, 22 осуществляется также в вакууме, что позволяет избежать воздушных пузырьков в них. Кроме того, каждая заливочная масса 21, 22 может проникать также в узкие места между корпусом 4 и керамическим изолятором 3, а также в узкие места между ним и арматурой 9. Это оказывает предпочтительное влияние на путь электрических силовых линий, поскольку исключены воздушные пузырьки, негативно сказывающиеся на путях электрических силовых линий.

Кроме того, ввод 1 отличается оптимальным путем электрических силовых линий, с помощью которого можно избежать электрических частичных разрядов и электрических пробоев. В этой связи имеет значение, с одной стороны, коническая плоскость разъема 6 между обоими сегментами 7, 8 и сэндвичеобразное расположение арматуры 9 в зоне плоскости разъема 6. Это обеспечивает оптимальный путь электрических силовых линий в керамическом изоляторе 3.

Изолятор 3 состоит преимущественно из керамики на основе диоксида алюминия. Электрический провод состоит преимущественно из меди. Корпус 4 состоит преимущественно из нержавеющей стали. Арматуры 9, 15 состоят преимущественно из меди или медного сплава. При выполнении паяных соединений используется преимущественно эвтектический припой Ag/Cu. Элемент 20, как и арматуры 9, 15, состоит преимущественно из меди или медного сплава. Выбор материалов для отдельных узлов ввода 1 осуществляется таким образом, чтобы механические и термические напряжения в нем были минимальными. Механическая установка керамического изолятора 3 посредством элемента 20 на корпусе 4 и арматур 9, 15 препятствуют недопустимым растягивающим напряжениям на изоляторе 3, которые могут возникать вследствие механических и термических знакопеременных нагрузок.

Преимущественно все компоненты из меди, т.е. электрический провод 2, арматуры 9, 15 и элемент 20, покрыты никелем. За счет этого можно повысить коррозионную стойкость этих узлов и, тем самым, ввода 1. Это покрытие медных конструктивных элементов никелем осуществляется, по меньшей мере, на поверхностях, которые прямо или косвенно могут вступать в контакт с газообразной средой в камере высокого давления напорного резервуара.

Перечень ссылочных позиций

1 - ввод для провода

2 - электрический провод

3 - керамический изолятор

4 - корпус

5 - паз

6 - плоскость разъема

7 - сегмент изолятора

8 - сегмент изолятора

9 - арматура

10 - поверхность разъема/металлизация

11 - сварной шов

12 - конец со стороны камеры высокого давления

12′ - конец со стороны камеры высокого давления

12′′ - конец со стороны камеры высокого давления

13 - конец со стороны камеры низкого давления

13′ - конец со стороны камеры низкого давления

13′′ - конец со стороны камеры низкого давления

14 - внутренняя поверхность

15 - арматура

16 - поверхность/металлизация

17 - зазор

18 - сварной шов

19 - средний участок

20 - элемент

21 - заливочная масса

22 - заливочная масса

1. Герметичный ввод для электрического провода (2) в камеру высокого давления, содержащий корпус (4) и проходящий через него электрический провод (2), отличающийся тем, что между корпусом (4) и электрическим проводом (2) расположен керамический изолятор (3), который, образуя коническую плоскость разъема (6), разделен на первый обращенный к электрическому проводу (2) сегмент (7) и второй обращенный к корпусу (4) сегмент (8), а между обоими сегментами (7, 8) расположена арматура (9) из электропроводящего материала, которая соединена с обоими сегментами (7, 8) и корпусом (4).

2. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что поверхности разъема (10) конической плоскости разъема (6) металлизированы, при этом арматура (9) соединена с поверхностями разъема (19) керамического изолятора (3) пайкой.

3. Ввод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что арматура (9) соединена с корпусом (4) сваркой.

4. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что между первым обращенным к электрическому проводу (2) сегментом (7) и электрическим проводом (2) образован зазор (17) порядка 0,01-0,1 мм, в частности порядка 0,03-0,05 мм.

5. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что первый обращенный к электрическому проводу (2) сегмент (7) металлизирован на обращенной к электрическому проводу (2) внутренней поверхности (14).

6. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что электрический провод (2), керамический изолятор (3) и корпус (4) имеют ступенчатые диаметры.

7. Ввод по п. 6, отличающийся тем, что электрический провод (2) на участке со стороны камеры высокого давления имеет больший наружный диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления, причем участок электрического провода (2) со стороны камеры высокого давления охватывает сзади со стороны камеры высокого давления участок керамического изолятора (3) со стороны камеры высокого давления, при этом корпус (4) на участке со стороны камеры высокого давления имеет больший внутренний диаметр, чем на участке со стороны камеры низкого давления, при этом участок корпуса (4) со стороны камеры высокого давления охватывает сзади со стороны камеры высокого давления средний участок керамического изолятора (3).

8. Ввод по п. 7, отличающийся тем, что между участком электрического провода (2) со стороны камеры высокого давления и участком керамического изолятора (3) со стороны камеры высокого давления расположена дополнительная арматура (15) из электропроводящего материала, которая соединена с керамическим изолятором (3) и электрическим проводом (2).

9. Ввод по п. 8, отличающийся тем, что керамический изолятор (3) металлизирован на обращенной к дополнительной арматуре (15) поверхности (16), при этом дополнительная арматура (9) соединена с этой поверхностью (16) керамического изолятора (3) пайкой.

10. Ввод по п. 8 или 9, отличающийся тем, что дополнительная арматура (15) соединена с электрическим проводом (2) сваркой.

11. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что между участком корпуса (4) со стороны камеры низкого давления и средним участком керамического изолятора расположен электропроводящий элемент (20).

12. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что он содержит первую заливочную массу (21) из эпоксидной смолы на конце со стороны камеры высокого давления, причем первая заливочная масса (21) окружает керамический изолятор (3) и электрический провод (2).

13. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что он содержит вторую заливочную массу (22) из силикона на конце со стороны камеры низкого давления, причем вторая заливочная масса (22) окружает керамический изолятор (3) и электрический провод (2).

14. Ввод по п. 1, отличающийся тем, что арматура или каждая арматура (9, 15) состоит из медного материала.