Подводное устройство и система для распределения электропитания

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение надежности работы за счет обеспечения защиты против выхода из строя одного из контуров, подключенных к вторичным трансформаторным обмоткам. Подводное устройство для распределения переменного напряжения содержит: водонепроницаемый корпус, в котором находится по меньшей мере один трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичные обмотки; входные терминалы, электрически соединенные с первичной обмоткой и выполненные с возможностью подключения к удаленному источнику переменного напряжения; выходные терминалы, электрически соединенные с вторичными обмотками и выполненные с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам; при этом устройство содержит установленные в водонепроницаемом корпусе выключатели, выполненные с возможностью разрывать соединение между любой вторичной обмоткой и соответствующим выходным терминалом, при этом каждый выключатель снабжен актуатором, и при этом водонепроницаемый корпус сформирован с первым отделением и со вторым отделением, отделенным от первого отделения, причем трансформатор установлен в первом отделении, а выключатели установлены во втором отделении. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к распределению электропитания, подаваемого на подводное оборудование.

Более конкретно, изобретение относится к подводному устройству для распределения электрического напряжения (электрораспределительному устройству), содержащему водонепроницаемый корпус, в котором находится трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичные обмотки; входные терминалы, электрически соединенные с первичной обмоткой и выполненные с возможностью подключения к удаленному источнику напряжения, и выходные терминалы, электрически соединенные с вторичными обмотками и выполненные с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам.

Изобретение относится также к соответствующей подводной системе распределения напряжения и к способу распределения напряжения.

Уровень техники

В морских (оффшорных) установках все шире используется подводное, в том числе эксплуатационное, оборудование с электрическим питанием. В состав такого подводного оборудования могут входить, например, компрессоры, насосы и любые другие подводные средства, использующие электропитание.

Электроэнергия, которая должна подаваться на подводное оборудование, может подводиться с берега, в частности от наземной электростанции, или от электрогенерирующей установки, находящейся в море, например на судне или на платформе.

Подводное оборудование может иметь высокое энергопотребление, причем электропитание обычно должно передаваться на большие расстояния. Чтобы обеспечить эффективную передачу мощности/напряжения на большие расстояния, в таких случаях обычно используется высокое напряжение.

Высоковольтный источник напряжения подсоединяется к подводному устройству для распределения электропитания, т.е. напряжения, содержащему трансформатор, который образует более низковольтный источник напряжения и подключен к подводным энергопотребляющим устройствам. Трансформатор, который может быть помещен в водонепроницаемый корпус, может являться многообмоточным трансформатором, имеющим первичную обмотку и вторичные обмотки. Первичная обмотка соединена с входными терминалами, выполненными с возможностью подключения к удаленному источнику напряжения. Вторичные обмотки соединены с выходными терминалами, выполненными с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам.

Недостаток такой схемы заключается в том, что вторичные трансформаторные обмотки не имеют защиты против выхода из строя одного из контуров, подключенных к вторичным обмоткам, например против повреждения заземления, перегрузки или короткого замыкания в одном из подводных энергопотребляющих устройств.

Как следствие, такое повреждение может привести к прекращению функционирования или к отключению всего трансформатора. Это событие может иметь существенные последствия для обеспечения функционирования (например, приводить к потерям рабочего времени и дополнительным затратам), так что его следует, по возможности, избегать.

Раскрытие изобретения

Недостатки и/или дефекты, свойственные уровню техники, удалось преодолеть с помощью устройства и системы, охарактеризованных в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая подводное устройство для распределения напряжения.

На фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая дополнительные особенности подводного устройства для распределения напряжения.

На фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая другие особенности подводного устройства для распределения напряжения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая подводное устройство для распределения напряжения.

Подводное устройство 100 по изобретению содержит водонепроницаемый корпус 101, в котором находится по меньшей мере один трансформатор 102. На фиг. 1 показаны и дополнительные трансформаторы 103, 104, которые также могут быть размещены в водонепроницаемом корпусе 101. Должно быть понятно, что в состав электрораспределительного устройства может входить любое требуемое количество трансформаторов. Например, в состав этого устройства могут быть включены 1, 2, 3 или 4 трансформатора. При этом каждый дополнительный трансформатор 103, 104 может быть эквивалентен или аналогичен трансформатору 102 или отличаться от него.

Трансформатор 102 является многообмоточным, т.е. у него имеются первичная обмотка и вторичные обмотки. На фиг. 1 для большей наглядности первичная обмотка не изображена, а множество вторичных обмоток в представленном примере трансформатора 102 проиллюстрировано четырьмя вторичными обмотками.

Каждая вторичная обмотка питает одно энергопотребляющее устройство. В контексте данного описания термин "энергопотребляющее устройство" означает либо отдельный энергопотребляющий модуль или агрегат, либо сегмент электрораспределительного контура, который может содержать множество энергопотребляющих модулей.

Подводное устройство 100 для распределения напряжения (электрораспределительное устройство) содержит также (не изображенные на фиг. 1) входные терминалы, которые электрически соединены с первичной обмоткой и выполнены с возможностью подключения к удаленному источнику напряжения.

Удаленный источник напряжения может обеспечивать высоковольтное напряжение, в типичном случае составляющее 50-150 кВ, например 90 кВ. Высоковольтное напряжение может передаваться к подводному устройству на большое расстояние, например с берега, в частности от наземной электростанции, или от электрогенерирующей установки, находящейся в море, например на судне или на платформе.

Электрораспределительное устройство 100 содержит также выходные терминалы, которые электрически соединены с вторичными обмотками и выполнены с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам.

Вторичные обмотки в типичном случае могут обеспечивать рабочее напряжение в интервале 10-40 кВ, в частности в интервале 20-36 кВ, например равное 24 кВ.

Кроме того, в водонепроницаемом корпусе установлены выключатели, выполненные с возможностью разрывать соединение между любой вторичной обмоткой и соответствующим ей выходным терминалом. На фиг. 1 показаны два таких выключателя 113 и 123.

Выполнение и установка выключателей с возможностью разрывать соединение между каждой вторичной обмоткой и соответствующим выходным терминалом позволяет избежать полного прекращения функционирования в случае какого-либо повреждения во вторичном контуре, например перегрузки, короткого замыкания или нарушения заземления в подводном энергопотребляющем устройстве. Каждый выключатель позволяет изолировать соответствующий ему отдельный вторичный контур, чтобы можно было отсоединить только контур, в котором имеется нарушение. При возникновении необходимости в подсоединении или отсоединении определенного вторичного контура наличие изолирующих выключателей позволяет провести эту операцию без отключения всего подводного трансформатора.

Выключатели, используемые в электрораспределительном устройстве, могут быть, например, рассчитаны на функционирование в интервале напряжений 10-40 кВ, в частности в интервале 20-36 кВ, например при 24 кВ. Целесообразно использовать диэлектрическую изолирующую жидкость (масло) для заполнения зазора в выключателе. Благодаря использованию жидкости-изолятора (масла) выключатель, рассчитанный на конкретное напряжение в условиях работы с воздушными зазорами, может функционировать при существенно более высоком (примерно утроенном) напряжении.

В упрощенном иллюстративном примере по фиг. 1 одна вторичная обмотка 111 трансформатора 102 подсоединена через проводник 112 к выключателю 113. Дополнительный коннектор связывает выключатель 113 и выходной терминал 114, который выполнен с возможностью подключения к подводному энергопотребляющему устройству. Аналогичным образом другая вторичная обмотка 121 трансформатора 102 подсоединена через проводник 122 к выключателю 123, а еще один коннектор связывает выключатель 123 и выходной терминал 124, также выполненный с возможностью подключения к подводному энергопотребляющему устройству.

Каждый выключатель, в частности выключатель 123, предпочтительно установлен как можно ближе к вторичной обмотке трансформатора, чтобы минимизировать риск возникновения какого-либо дефекта между вторичной обмоткой и выключателем, поскольку такой дефект не может быть изолирован посредством выключателя.

Желательно снабдить каждую вторичную обмотку трансформатора, в частности трансформатора 102, соответствующим выключателем, подключенным к этой обмотке посредством проводника.

Каждый выключатель снабжен актуатором, который инициирует выключение посредством выключателя. Так, выключатель 113 приводится в действие актуатором 115. Этот же актуатор 115 предпочтительно связан и с двумя другими выключателями, функционирующими сходным образом (как это показано на фиг. 1).

Аналогично, выключатель 123 приводится в действие другим актуатором 125. Этот же актуатор 125 предпочтительно связан и с двумя другими выключателями, функционирующими сходным образом (как это показано на фиг. 1).

В особенно предпочтительном варианте водонепроницаемый корпус 101 сформирован с первым отделением 131 и с вторым отделением 141, отделенным от первого отделения. В такой конфигурации трансформатор установлен в первом отделении 131, а выключатели установлены во втором отделении 141.

Первое отделение 131 и второе отделение 141 желательно заполнить маслом. Целесообразно использовать диэлектрическое масло типа масла, известного как трансформаторная жидкость. В качестве примера можно назвать жидкость MIDEL 7131.

Первое и второе отделения 131, 141 могут быть сконфигурированы, как отдельные отсеки или как части одного разделенного объема. В любом из этих вариантов отделения должны быть сконструированы так, чтобы они были способны выдерживать условия, существующие под водой, т.е. давление воды, соленость, колебания температуры и др. С этой целью отделения могут быть изготовлены с прочным стальным корпусом, снабженным ребрами охлаждения для улучшения теплообмена. Корпус может иметь верхнюю крышку и соответствующие вложенные контейнеры. Специалист в данной области будет в состоянии подобрать соответствующие уплотнения, крышки, пенетраторы (penetrators) и коннекторы, пригодные для работы в соленой воде в подводных условиях.

В одном варианте актуатор выключателя (или актуаторы выключателей) может (могут) находиться в водонепроницаемом корпусе. В варианте по фиг. 1 актуаторы 115 и 125 выключателей размещены именно в водонепроницаемом корпусе 101.

Более конкретно, в конфигурации, в которой водонепроницаемый корпус 101 имеет первое отделение 131 и второе отделение 141, актуатор выключателя целесообразно поместить во второе отделение 141. В таком варианте между первым и вторым отделениями должны быть предусмотрены пенетраторы.

В альтернативном варианте актуатор выключателя установлен вне водонепроницаемого корпуса. В этом случае может оказаться необходимым провести механический вал через наружную стенку (оболочку) водонепроницаемого корпуса. Однако такое выполнение приводит к определенным проблемам в плане обеспечения стойкого и надежного уплотнения между валом и оболочкой водонепроницаемого корпуса. Эти проблемы были решены использованием магнитной связи между электродвигателем актуатора, установленным снаружи водонепроницаемого корпуса, и подвижными частями выключателя.

В любом из рассмотренных вариантов актуатор выключателя может быть подключен к блоку управления, находящемуся вне водонепроницаемого корпуса, и управляться этим блоком.

Актуатор выключателя предпочтительно является электрическим актуатором, например содержащим двигатель, механическую зубчатую передачу, источник напряжения, такой как батарея, и блок управления. Такой актуатор может быть сконфигурирован полностью отказоустойчивым. Батарея может быть внутренней батареей, наружной батареей или их комбинацией.

Альтернативно, актуатор выключателя может быть гидравлическим или электрогидравлическим актуатором.

На фиг. 2 и 3 представлены блок-схемы, схематично иллюстрирующие некоторые другие свойства подводного устройства для распределения напряжения.

Подводное электрораспределительное устройство 200, аналогичное описанному выше устройству 100 по фиг. 1, содержит водонепроницаемый корпус (на фиг. 2 и 3 он не изображен). В водонепроницаемом корпусе находится трансформатор, у которого имеются схематично изображенная первичная обмотка 210 и несколько вторичных обмоток (конкретно четыре обмотки, обозначенные на фиг. 2, как 211, 221, 231 и 241). Входные терминалы (схематично изображенные в виде одной линии) электрически соединены с первичной обмоткой 210 и выполнены с возможностью подключения к удаленному источнику напряжения. В варианте по фиг. 2 в линию подачи напряжения, т.е. между удаленным источником напряжения и первичной обмоткой 210 включен выключатель 250.

Подводное устройство 200 для распределения напряжения содержит также выходные терминалы, которые электрически соединены с вторичными обмотками и выполнены с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам 216, 226, 236 и 246. Имеются также выключатели, выполненные с возможностью разрывать соединения между любой вторичной обмоткой и соответствующим выходным терминалом, связанным с соответствующим подводным энергопотребляющим устройством. Выключатели установлены в водонепроницаемом корпусе аналогично тому, как это описано выше применительно к электрораспределительному устройству 100, проиллюстрированному на фиг. 1.

Подводное устройство 200 для распределения напряжения может дополнительно обладать любыми приемлемыми признаками или любой комбинацией признаков, которые были описаны выше применительно к электрораспределительному устройству 100 по фиг. 1.

На фиг. 3 иллюстрируется конфигурация, сходная с представленной на фиг. 2. Каждое подводное энергопотребляющее устройство может содержать дополнительный выключатель напряжения (силовой выключатель) в самом этом устройстве, или более конкретно, как показано на фиг. 3, в отдельном коммутационном блоке, находящемся в том же корпусе, что и соответствующее подводное энергопотребляющее устройство, либо прикрепленном к указанному корпусу. В качестве выключателя напряжения, входящего в состав энергопотребляющего устройства, можно использовать выключатель напряжения, применяемый в устройствах с регулируемой скоростью вращения (Variable Speed Device, VSD).

Описанное подводное устройство для распределения напряжения в любом из рассмотренных вариантов может использоваться в подводной системе распределения напряжения. Подводная система распределения напряжения содержит удаленный высоковольтный источник напряжения, рассчитанный в типичном варианте на 50-150 кВ, например на 90 кВ. Высокое напряжение может передаваться на большое расстояние к требуемому месту под водой, например с берега, в частности от наземной электростанции, или от электрогенерирующей установки, находящейся в море, например на судне или на платформе.

Данная система содержит также подводное устройство для распределения напряжения, описанное выше со ссылками на фиг. 1-3, и множество подводных энергопотребляющих устройств, например компрессоров и/или насосов.

Подводная система распределения напряжения содержит, кроме того, первичные электрические соединения, посредством которых удаленный источник напряжения связан с входными терминалами подводного устройства для распределения напряжения.

Данная система содержит также вторичные электрические соединения, посредством которых выходные терминалы подводного устройства для распределения напряжения связаны с подводными энергопотребляющими устройствами.

Специалистам будет понятно, что подводное устройство для распределения напряжения и подводная система распределения напряжения могут содержать контуры и элементы, обеспечивающие подачу трехфазного или однофазного переменного напряжения/тока.

Описанные подводное устройство для распределения напряжения и подводная система распределения напряжения могут обладать по меньшей мере некоторыми из следующих преимуществ:

повреждение заземления или иное повреждение электрической цепи в одном вторичном контуре не будет оказывать влияния на другие вторичные контуры;

обеспечивается возможность изолирования отдельного дефектного контура, так что его повреждение не будет влиять на функционирование трансформатора;

установка или демонтаж подводных энергопотребляющих устройств может осуществляться при функционировании остальных частей подводной системы распределения напряжения, например при проведении обслуживания и/или ремонта.

Прекращение функционирования или отключение всего трансформатора могло бы привести к существенным последствиям для обеспечения функционирования, например к потерям рабочего времени и дополнительным затратам. Описанные подводные система и устройство для распределения напряжения позволяют преодолеть этот недостаток, свойственный решениям, известным из уровня техники.

1. Подводное устройство для распределения переменного напряжения, содержащее:

водонепроницаемый корпус, в котором находится по меньшей мере один трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичные обмотки;

входные терминалы, электрически соединенные с первичной обмоткой и выполненные с возможностью подключения к удаленному источнику переменного напряжения;

выходные терминалы, электрически соединенные с вторичными обмотками и выполненные с возможностью подключения к подводным энергопотребляющим устройствам;

при этом устройство содержит установленные в водонепроницаемом корпусе выключатели, выполненные с возможностью разрывать соединение между любой вторичной обмоткой и соответствующим выходным терминалом,

при этом каждый выключатель снабжен актуатором, и

при этом водонепроницаемый корпус сформирован с первым отделением и с вторым отделением, отделенным от первого отделения, причем трансформатор установлен в первом отделении, а выключатели установлены во втором отделении.

2. Подводное устройство по п. 1, в котором каждая вторичная обмотка снабжена соответствующим ей выключателем.

3. Подводное устройство по п. 1, в котором первое и второе отделения заполнены маслом.

4. Подводное устройство по п. 3, в котором актуатор выключателя находится в водонепроницаемом корпусе.

5. Подводное устройство по п. 4, в котором актуатор выключателя находится во втором отделении.

6. Подводное устройство по п. 3, в котором актуатор выключателя установлен вне водонепроницаемого корпуса.

7. Подводное устройство по п. 6, в котором актуатор выключателя приводит в действие выключатель посредством механического вала, проходящего через часть водонепроницаемого корпуса.

8. Подводное устройство по п. 6, в котором актуатор выключателя приводит в действие выключатель посредством магнитной связи через часть водонепроницаемого корпуса.

9. Подводное устройство по п. 1, в котором актуатор выключателя подключен к блоку управления, находящемуся вне водонепроницаемого корпуса и обеспечивающему управление указанным актуатором.

10. Подводное устройство по любому из пп. 1-9, в котором актуатор выключателя является электрическим актуатором.

11. Подводное устройство по любому из пп. 1-9, в котором актуатор выключателя является гидравлическим актуатором.

12. Подводное устройство по любому из пп. 1-9, в котором каждое подводное энергопотребляющее устройство содержит дополнительный выключатель напряжения в отдельном коммутационном блоке, находящемся в том же корпусе, что и соответствующее подводное энергопотребляющее устройство, либо прикрепленном к указанному корпусу.

13. Подводная система распределения переменного напряжения, содержащая:

удаленный источник переменного напряжения,

подводное устройство для распределения переменного напряжения, выполненное в соответствии с любым из пп. 1-12,

подводные энергопотребляющие устройства и

первичные электрические соединения, посредством которых удаленный источник напряжения связан с входными терминалами подводного устройства для распределения напряжения, и

вторичные электрические соединения, посредством которых выходные терминалы подводного устройства для распределения напряжения связаны с подводными энергопотребляющими устройствами.