開關裝置及具有該開關裝置的功率傳遞和分配系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明有關一種開關裝置和具有開關裝置的功率傳遞和分配系統，尤其涉及工作在水下環境中的一種開關裝置。
【背景技術】
[0002]隨著油氣田在淺水中的逐漸減少，人們開始使用油氣開采裝置在深水中進行開采。開采裝置在海面下很深的地方工作。油氣開采裝置不僅工作在海面下很深的地方而且遠離海岸。油氣開采裝置利用功率傳遞和分配系統來傳遞電能至深海中。海下的開關裝置是功率傳遞和分配系統的一個重要元件。現有的海下開關裝置完全安裝于堅固的金屬保護容器中，從而防止開關裝置因海底水壓力較大而損耗。隨著海下深度的增加，海水壓力變大，保護容器需要更加厚實和堅固來抵擋海水的高壓力，然而如此保護容器更加笨重。
[0003]因此，有必要提供一種解決方案來解決至少一個上面提及的問題。
【發明內容】
[0004]本發明的一個方面在于提供一種開關裝置。該開關裝置包括:開關主體，包括若干觸頭；開關機構，連接于所述開關主體，且用來驅動所述觸頭的動作；殼體，收容所述開關主體和所述開關機構，且所述殼體內用絕緣液體填滿；及至少一個壓力補償器，其和所述殼體連通，且具有可變的體積來調節所述殼體內的壓力使得殼體內的壓力與所述殼體外部周圍的壓力平衡。
[0005]本發明的另一個方面在于提供一種功率傳遞和分配系統。功率傳遞和分配系統包括:主工作裝置，用于水下環境中；開關裝置，連接于所述主工作裝置且暴露于水下環境中；及斷路器，連接于所述開關裝置，用來斷開電路。所述開關裝置包括:開關主體，包括若干觸頭；開關機構，連接于所述開關主體，且用來驅動所述觸頭的動作；殼體，收容所述開關主體和所述開關機構，且所述殼體內用絕緣液體填滿；及至少一個壓力補償器，其和所述殼體連通，且具有可變的體積來調節所述殼體內的壓力使得殼體內的壓力與所述殼體外部周圍的壓力平衡。
【附圖說明】
[0006]通過結合附圖對于本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中:
[0007]圖1所示為本發明功率傳遞和分配系統的一個實施例的示意圖；
[0008]圖2所示為本發明功率傳遞和分配系統的開關裝置和功率變換系統的一個實施例的電路圖；
[0009]圖3所示為本發明功率傳遞和分配系統的開關裝置和功率變換系統的另一個實施例的電路圖；
[0010]圖4所示為本發明開關裝置的一個實施例的示意圖；[0011 ] 圖5所示為本發明開關裝置的另一個實施例的示意圖，其中開關裝置處于斷開狀態；
[0012]圖6所示為圖5所示的開關裝置處于閉合狀態下的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]除非另作定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的“第一”“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。同樣，“一個”或者“一”等類似詞語也不表示數量限制，而是表示存在至少一個。除非另行指出，“前部” “后部” “下部”和/或“上部”等類似詞語只是為了便于說明，而并非限于一個位置或者一種空間定向。另外，“連接”或者“相連”等類似的詞語并非用來區分兩個元件之間的直接或間接連接。當然，除非另行說明，此元件間可以直接或間接連接。
[0014]圖1所示為一個實施例的功率傳遞和分配系統10的示意圖。在圖示實施例中，功率傳遞和分配系統10包括主工作裝置12、開關裝置14、斷路器16和電源18。功率傳遞和分配系統10用來變換和提供功率給操作裝置20。操作裝置20可工作在海下環境中，例如用于油氣開采。
[0015]主工作裝置用于水下環境中，例如海下環境中。本實施例中，主工作裝置12包括功率變換系統22，功率變換系統22用來將來自電源18的功率變換成操作裝置20所需的功率，提供給操作裝置20。在一個實施例中，電源18，例如交流電機，提供高壓交流電，功率變換系統22將高壓交流電變換成高壓直流電。在另一個實施例中，電源18提供高壓直流電，功率變換系統22將高壓直流電變換成高壓交流電。例如，高壓為至少5kV，電流為100A以上。在再一個實施例中，電源18提供一種交流電，功率變換系統22將該交流電變換成另一種交流電。在又一個實施例中，電源18提供一種直流電，功率變換系統22將該直流電變換成另一種直流電。功率變換系統22可以包括變流器或逆變器。在另一個實施例中，主工作裝置12可包括一個或多個其他系統或元件(未圖示)，例如整流器。
[0016]開關裝置14連接于主工作裝置12且暴露于水下環境中。在一個實施例中，開關裝置14位于海底。在一個實施例中，開關裝置14與功率變換系統22并聯，開關裝置14用來旁路功率變換系統22。在另一個實施例中，開關裝置14與功率變換22系統串聯，開關裝置14用來隔離功率變換系統22。在另一個實施例中，多個開關裝置14被使用，分別旁路或隔離主工作裝置12。在另一個實施例中，多個功率變換系統22。即使一個出現故障的功率變換系統22被旁路或隔離，其他功率變換系統22仍可以工作來變換功率。開關裝置14可用來在主工作裝置12出現故障(例如斷路故障)時提供保護。在一個實施例中，開關裝置14為直流開關裝置，其具有至少5kV的工作電壓。開關裝置14工作在高壓直流系統中，電源18提供至少5kV的電壓。
[0017]斷路器16連接于開關裝置14，用來斷開電路。在一個實施例中，斷路器16連接于功率變換系統22。在一個實施例中，當主工作裝置12出現故障時，開關裝置14旁路主工作裝置12，且連接于開關裝置14的斷路器16可斷開電路來切斷電源18的功率傳遞至功率變換系統22和開關裝置14，如此來保護系統10。在一個實施例中，斷路器16集成于電源18中。在本實施例中，斷路器15和電源18位于海面上。在一些實施例中，電源18、斷路器16、功率變換裝置22、開關裝置14和/或操作裝置20由控制器(未圖示)控制。
[0018]開關裝置14也可以用于其他應用中，不限于圖1所示的實施例。開關裝置14可工作在海底高壓力的環境下，例如，3千米的海底且大約300巴(bar)的水壓的環境下。
[0019]圖2所示為一個實施例的開關裝置14和功率變換系統22的電路圖。開關裝置14包括開關SI，其并聯于功率變換系統22，且串聯于電源18和斷路器16。在功率變換系統22正常工作時，開關SI斷開。當功率變換系統22出現故障(例如斷路)時，開關SI閉合來旁路功率變換系統22，從而保證連續的點到點功率傳遞。開關SI可以是機械的直流開關。在另一個實施例中，開關SI可以是交流開關。在另一個實施例中，開關SI可以是電開關。
[0020]在圖示實施例中，功率變換系統22包括逆變器26、固態開關S2、電感L1-L4和電容Cl。逆變器26和電容Cl并聯，且電容Cl作為總線過濾器(Bus Filter)。電感L1-L4作為線寄生電感。固態開關S2并聯于電容Cl。逆變器26正常工作時，固態開關S2斷開。當逆變器26發生故障時，固態開關S2閉合來旁路逆變器26。固態開關S2的開斷速度比開關SI的開斷速度快，然而固態開關S2上的功率損耗比開關SI上的功率損耗大。當逆變器26發生故障時，固態開關S2瞬間閉合，接著開關SI閉合，然后斷開固態開關S2。
[0021]圖3所示為另一個實施例的開關裝置14和功率變換系統22的電路圖。在本實施例中，三個開關裝置14被使用，分別包括開關S1、S3、S4。開關SI類似于圖2中的開關SI，用來旁路功率變換系統22。圖3中的功率變換系統22類似于圖2中的功率變換系統22。開關S3和S4串聯于開關SI，用來隔離功率變換系統22。功率變換系統22正常工作時，開關S3和S4閉合。當功率變換系統22發生故障時，開關S3和S4斷開，來避免系統10的其他部分因該故障而受到影響。在一個實施例中，開關S3和S4可具有類似于開關SI的結構。圖2和圖3中的功率變換系統22的電路可以根據實際應用變化。
[0022]圖4所示為一個實施例的開關裝置14的示意圖。開關裝置14包括開關主體30、開關機構32、殼體34和至少一個壓力補償器36。開關主體30具有斷開狀態和閉合狀態。開關主體30包括若干觸頭，例如圖5和圖6所示的動觸頭48和靜觸頭46。在一個實施例中，開關主體30可工作在高電壓下，例如5kV以上。開關機構32連接于開關主體30，且用來驅動觸頭的動作。開關機構32可驅動觸頭在斷開位置和閉合位置之間運動來使得開關主體30斷開或閉合。開關機構32可以通過蝸桿、磁場或其他方式驅動觸頭。
[0023]殼體34收容開關主體30和開關機構32，且殼體34內用絕緣液體38填滿。殼體34可以由金屬材料，例如合金鋼、鈦合金等，制成。在一個實施例中，殼體34包括圓柱形或球形的外輪廓，如此避免殼體34的某一點壓強太大。在另一個實施例中，殼體34的外輪廓可以是其他平滑過渡的曲面