NO159125B - Anordning ved koblingsinnretning for elektriske kretser iundervannsinstallasjoner. - Google Patents

Description

Ved undervannsinstallasjoner som f.eks. i forbindelse med oljevirksomhet til havs, representerer sammenkoblingen mellom kabler eller mellom kabler og utstyrsenheter som f.eks. kan be-finne seg på sjøbunnen, temmelig alvorlige problemer. En spesiell type induktiv koblingsinnretning er beskrevet i norsk patent nr. 154107 • Foreliggende oppfinnelse tar utgangs-punkt i en tilsvarende situasjon som ved den tidligere patent-søknad, men som det vil fremgå av det følgende, har foreliggende oppfinnelse tildels også mer generelle anvendelser.

Korrosjon og tæring på materialer som inngår i konstruksjonen av slike koblingsinnretninger o.l., utgjør ett av de største problemer ved undervannsinstallasjoner i sjøvann og ofte dessuten ved andre former for elektriske installasjoner , hvor det ikke alltid kan garanteres at korrosjonsbeskyttelse og kapsling vil hindre inntrengning av f.eks. vann eller fuktighet. Spesielt når omgivelsene er sjøvann, er det å merke seg at spenningsnivået i en del av den elektriske installasjon har stor betydning for korrosjonshastigheten. Når spenningene går over ca. 1 volt, vil tæringen skje meget raskere enn ved lavere spen-ning. Denne erkjennelse utgjør noe av bakgrunnen for de løs-ninger som er angitt i det følgende.

Ved overføring og distribusjon av elektrisk energi henholdsvis signaler gjennom kabler og ledninger, vil det normalt og avhengig av de aktuelle overføringsavstander, bli anvendt adskillig høyere spenningsnivåer enn 1 volt. Dette gjelder i høy grad også undervannsinstallasjoner ved oljevirksomhet til havs. Nærmere bestemt angår således oppfinnelsen en anordning ved koblingsinnretning for elektriske kretser i undervanns-installas joner , omfattende to koblingsdeler innrettet til fortrinnsvis induktiv innbyrdes løsbar sammenkobling. I korthet går oppfinnelsen ut på at det i tilknytning til minst en av koblingsdelene er anordnet en transformator, hvis funksjon og konstruksjon er nærmere angitt i patentkravene. En praktisk fordelaktig utførelse blir oppnådd ved at disse tilknytnings-transformatorer er sammenbygget med koblingsinnretningen til en integrert enhet.

Avhengig av den elektriske krets som koblingsinnretningen

t

inngår i, kan det være nødvendig med en transformator på begge sider eller bare på den ene side av koblingsinnretningen. To-sidig transformering vil være det mer normale, f.eks. når det dreier seg om sammenkobling av to lengder av en overførings-kabel. Videre kan det forekomme situasjoner hvor spenningsnivået i systemet er så høyt at nedtransformeringen til lavt nivå over koblingsinnretningen må skje ved hjelp av to eller flere transformatorer i serie, idet disse énkeltvis i praktiske utførelser vil ha begrensninger med hensyn til det maksimale oversetningsforhold.

Den her omhandlede anordning med de såkalte tilknytnings-transformatorer stiller helt spesielle krav til transformator-konstruksjonen, slik det vil fremgå av den følgende beskrivelse og tegningsfigurene. Ytterligere nye og særegne trekk ved anordningen ifølge oppfinnelsen og transformatorkonstruksjoner for denne, er nærmere angitt i underkravene.

Med en slik løsning blir det mulig å oppnå en meget lav ohmsk motstand i transformatoren, hvilket er fordelaktig først og fremst av hensyn til egenoppvarming ved effektoverføring, men også med sikte på lav dempning ved signaloverføring. Transformatoren får dessuten små spredefelter. Dette gir gode egenskaper ved høye signalfrekvenser og innebærer et lavt reaktivt spenningsfall ved effektoverføring.

I tilknytning til ovenstående kan det nevnes at eksempler på induktive koblingsinnretninger er å finnne i US-patentene 2.379.800 og 2.414.719, samt britisk patentsøknad 2.020.116. Når det gjelder tidligere kjente transformatorkonstruksjoner kan det henvises til US-patent 3.197.723 og britiske patenter 1.124.183, 1.462.501 og 1.468.220. Det dreier seg her om tidligere kjente konstruksjoner for temmelig spesielle formål som tildels ligger meget fjernt fra det som er formålet med foreliggende oppfinnelse .

Forskjellige sider av denne oppfinnelse skal omtales nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser prinsippskjemaet for en anordning ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 viser et forenklet lengdesnitt gjennom en transformator til bruk i anordningen ifølge oppfinnelsen,

Fig. 3 viser et snitt efter linjen III-III på Fig. 2,

Fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom en magnetkrets med viklinger, som en alternativ utførelse til 'den som er vist på

Fig. 2 og 3, og

Fig. 5 viser i prinsippet et arrangement med flere (tre) transformatorer sammenkoblet i en gruppe for å oppnå et høyere totalt omsetningsforhold, eventuelt også øket effekt.

Fig. 1 viser i prinsippet og sterkt forenklet en del av

et undervannssystem med en elektrisk installasjon omfattende en kabel 9 som f.eks. kan tjene til å tilføre energi i form av elektrisk strøm til en utstyrsenhet 10, eventuelt også for over-føring av signaler til eller fra enheten 10. I en slik installasjon vil det meget ofte være behov for en løsbar forbindelse, dvs. en form for koblingsinnretning mellom kabelen 9 og utstyrsenheten 10. Tilsvarende behov for løsbar kobling kan også forekomme når det er to kabelstykker som skal forbindes med hverandre. I slike situasjoner kan det f.eks. anvendes en induktiv kobler som beskrevet i ovennevnte norske patent»

Som tidligere nevnt, er det både for slike induktive koblere og andre typer koblingsinnretninger av vesentlig betydning å

holde spenningsnivået lavt over koblingsinnretningen for dermed å bidra til at korrosjon og tæring reduseres til et minimum , hvis den korrosjonsbeskyttelse eller kapsling som forefinnes, skulle få skader.

I aktuelle undervannssystemer eller -installasjoner vil vanlige spenningsnivåer ligge fra 20 til 100 volt, bl.a. avhengig av overføringslengdene. I henhold til oppfinnelsen er det således som vist på Fig. 1, innsatt transformatorer 2 og 3 til-knyttet henholdsvis utstyrsenheten 10 gjennom ledninger 6 og 7, samt kabelen 9 gjennom ledninger 4 og 5. Transformatoren 3 er forbundet med en hoveddel IA av koblingsinnretningen 1, mens transformatoren 2 er forbundet med en løsbar del 1B av koblingsinnretningen. Som antydet med en streket linje 8 rundt koblingsinnretningen og de to transformatorer, kan disse komponenter bygges sammen til en samlet enhet, hvilket er en vesentlig fordel i praksis, særlig med sikte på å oppnå kortest mulige elek-

triske forbindelser mellom de to transformatorer 2 og 3 på

den ene side og de tilhørende deler av kontaktinnretningen 1

på den annen side.

Figurene 2 og 3 viser en spesiell utførelse av en transformator for ovennevnte formål og eventuelt for andre formål hvor lignende egenskaper kreves. Denne transformator har en magnetkrets bygget opp av toroidkjerner, fortrinnsvis av ferrittmateriale, i form av to langstrakte, rørlignende kjerne-deler 11 og 12. Ved den nedre ende av kjernedelen 11 er det spesielt angitt en toroidkjerne 11 A. Transformatorens viklinger er ført gjennom de gjennomgående åpninger i begge deler av magnetkretsen, med de vesentligste deler av viklingslengdene eller -partiene liggende inne i disse gjennomgående åpninger omgitt av magnetkretsen. Som det spesielt fremgår av Fig. 2,

vil vindingspartiene inne i magnetkretsens deler ligge stort sett parallelt og rettlinjet.

Viklingene i utførelseseksemplet på figurene 2 og 3 kan ansees å være fremkommet av en form for koaksialledning med en innerleder som danner viklingspartier angitt bl.a. ved 14 og 16, og en ytterleder med tilsvarende vindingspartier 15 og 17, samt en mellomliggende isolasjon som kan bestå av et vanlig iso-lasjonsmateriale påført i henhold til en eller annen konven-sjonell fremstillingsteknikk. Innerlederen og ytterlederen kan hensiktsmessig bestå av kobber, f.eks. med et ledertverr-likeledes

snitt sammensatt av enkelttråder. Det erven fordel fremstillings-messig sett å bruke en ytterleder i form av en flettet strømpe. Den sammensatte ledning med innerleder, mellomliggende isolasjon og ytterleder kan tenkes å være et ferdig produkt levert fra en kabelfabrikk, eller den omtalte strømpe kan trekkes utenpå viklingspartiene efterhvert som de anbringes på magnetkretsen. Eventuelt kan det også anbringes en ytre isolasjon omkring ytterlederen. Dette er ikke nødvendig dersom den vikling som dannes av ytterlederne, skal ha bare én enkelt vinding, hvilket er en hensiktsmessig utførelse i mange tilfeller.

Fig. 3 viser bl.a. et tverrsnitt gjennom magnetkretsdelen

12 hvor den gjennomgående åpning 20 gir plass til viklingene som her består av syv innerledere, hvorav én innerleder 14 er spesielt angitt, med tilhørende ytterleder 15.

En første vikling, som f.eks. kan ansees å være primærviklingen, dannes av alle vindingene av innerlederen, hvorav vindingspartiene 14 og 16 er nevnt ovenfor. Denne første vikling har en ende for eksempel som angitt ved 16A, og danner totalt et antall vindinger avpasset efter det ønskede omsetningsforhold frem til en annen viklingsende (ikke vist) som også kan være plassert nær den øvre ende av magnetkretsen på Fig. 2.

Den annen vikling, som kan ansees å være sekundærviklingen, omfatter bl.a. de forannevnte vindingspartier 15 og 17 som hver for seg omslutter de respektive innerledere 14 og 16. Ytterlederne er imidlertid avbrutt for hver vinding av innerlederen ved toppen av magnetkretsdelen 11B, hvor samtlige av disse ytterlederdeler er koblet parallelt for dannelse av én enkelt vinding som utgjør den annen vikling. Denne parallell-kobling skjer ved at de to løse ender av ytterlederstrømpen som fremkommer ved den nevnte avbrytelse eller oppkapping av denne nær toppen av magnetkretsdelen 11, forbindes med utgangsledere i form av to koaksiale kobberrør 21 og 23 hvis nedre ender er vist øverst på Fig. 2. Mellom kobberrørene er det antydet et isolasjonslag 22.

Nærmere bestemt fremgår det av Fig. 2 at det vedytter-lederen 17 er tildannet to uttak 17A og 17B som f.eks. ved lod-ding kobles^åe respektive kobberrør 23 og 21. Tilsvarende er det ved ytterlederen 15 vist uttak 15A og 15B som er forbundet med kobberrørene på et sted diametralt motsatt av tilkoblingen av de nevnte uttak 17A og 17B. På denne måte er samtlige se-parate enkeltvindinger dannet av ytterlederstrømpen som omslutter hver vinding av innerlederen, parallellkoblet for dannelse av den annen vikling bestående av én eneste vinding. Som det spesielt fremgår av snittet gjennom kjernedelen 12 på Fig. 3,

er således ledertverrsnittet av den samlede vinding som utgjør den annen vikling, fordelt omkring de omtalte innerledere som utgjør den første vikling, slik at hvert vindingsparti av den første vikling er fullstendig omsluttet av en del av ledertverrsnittet i den annen vikling. Denne oppbygning av viklingene er av stor betydning for oppnåelse av de spesielle og fordelaktige egenskaper som anordningen ifølge oppfinnelsen har.

Konstruksjonen ved den øvre ende av magnetkretsdelen 11

på Fig. 2, med de koaksiale utgangsledere i form av kobber-rørene 21 og 2 3 hvis diameter svarer omtrent til diameteren av toroidkjernene (f.eks. kjernen 11A) som danner magnetkrets-delene, innebærer en meget hensiktsmessig mekanisk og elektrisk overgang mellom transformatorviklingene, særlig den nevnte annen vikling, og tilstøtende elektriske kretser, særlig en induktiv koblingsinnretning som omtalt ovenfor. For å holde orden på

de enkelte vindinger ved toppen av magnetkretsen, er det på øverste toroidkjerne i delen 11 anbragt et toppstykké 18 som f.eks. kan være laget av plast, med en krans av knaster 19

på den oppadvendende flate. Mellom knastene 19 er det avsatt mellomrom svarende omtrent til diameteren av innerlederen slik at alle innerledere kan plasseres og holdes i en bestemt stil-ling rundt omkretsen, med de tilhørende uttak dannet av den om-givende ytterlederstrømpe, ført opp for tilkobling til kobber-rørene 21 og 23 som forklart ovenfor. Øvre del av Fig. 3 viser hvordan noen av viklingsdelene forløper omkring det øvre parti av magnetkretsdelen 11. Det vil innsees at det kan bli trangt om plassen for føring av de enkelte vindingspartier i området mellom de nedre ender av rørene 21 og 23 og toppen av magnetkretsen. Med det beskrevne koaksiale arrangement og det omtalte toppstykké 18 med knastene 19, er det imidlertid mulig å lage en praktisk hensiktsmessig utførelse.

Med sikte på best mulige elektriske egenskaper er det en fordel at innerlederen i området ved knastene 19, dvs. mellom uttakene, f.eks. de omtalte uttak 17A og 17B tilhørende vin-dingspartiet eller ytterlederen 17, er kortest mulig. Et an-net forhold av betydning er at for de aktuelle konfigurasjoner av primær- og sekundærvikling er det en fordel at tverrsnittet av innerlederen og tverrsnittet av ytterlederen har omtrent samme størrelse, da dette vil resultere i samme strømtetthet

i

i viklingene. Med en magnetkrets oppbygget av toroidkjerner som beskrevet, basert på ferrittmateriale, vil transformatoren gi små tap ved signalfrekvenser opp til 1 MHz og mer. For en mulig anvendelse kan transformatorens omsetningsforhold være 19:1 basert på galvanisk adskilte viklinger. Imidlertid

kan viklingsarrangementet lett omkobles for å gi en autotrans-formator med omsetningsforhold 20:1.

I transformatoren er det tatt sikte på å motvirke strømfor-trengning i den annen (og lavspente) vikling samtidig som transformatorens spredereaktans holdes så lav som mulig. Det er således oppnådd en meget god strømfordeling i denne vikling.

Ved kombinert utnyttelse delvis til effektoverføring ved en moderat frekvens, f.eks. opp til noen hundre Hz, samtidig som det skal overføres signaler med betydelig høyere frekvens, har det vist seg at konstruksjonen er meget fordelaktig. Ved den lavere eller moderate strømforsyningsfrekvens får man god utnyttelse av ledertverrsnittet i vindingene på grunn av liten strøm-fortrengning, men ved høyere signalfrekvenser kan strømfortreng-ningen bli av betydning. Dette siste kan umiddelbart bli opp-fattet som en ulempe, men innebærer tvert imot en fordel fordi denne strømfortrengning vil ledsages av en reduksjon i sprede-felt og dermed det reaktive spenningsfall ved signalfrekvenser. Dette betyr ved disse frekvenser mer enn det rent ohmske spenningsfall. Signaloverføringen vil ikke under noen omstendighet føre til uønsket oppvarmning av transformatoren.

Den beskrevne kobling til de rørformede utgangsledere bi-drar til de forannevnte fordeler ved ikke å innføre unødig reaktans.

På i og for seg kjent måte kan kapasiteten mellom de to viklinger påvirkes ved valg av materialer og dimensjoner i vik-lingsledningen, herunder isolasjonens tykkelse og dielektrisi-tetskonstant, med sikte på å tilpasse eller forbedre trans-misjonen for de mest høyfrekvente signaler som skal overføres.

Fig. 4 viser en annen utførelse av viklingene, sett i tverrsnitt svarende til nedre del av Fig. 3. På Fig. 4 er det vist en magnetkrets med toroidkjerne 32 slik som i den ovenfor omtalte utførelse, hvor den gjennomgående åpning opptar én eneste vinding i form av en massiv kobberbolt 35 forsynt med gjennomgående hull 36 i hvilke det er innsatt vindingspartier 34 som til sammen danner en vikling med flere vindinger slik det

tidligere er beskrevet. Vindingspartiene 34 er selvsagt iso-lert i hullene 36. Produksjonsmessige betraktninger, bl. a. avhengig av hvor store serier av slike transformatorer som skal

fremstilles, vil være med å bestemme om en utførelse som forenklet vist på Fig. 4, kan være et aktuelt alternativ til ut-førelsen i henhold til figurene 2 og 3. Også andre praktiske utførelser vil kunne tenkes på grunnlag av de her beskrevne prinsipielle konstruksjonstrekk, nemlig at vindingspartier av en første vikling (f.eks. primærvikling) langs en overveiende del av sin lengde som ligger omgitt av magnetkretsen, enkeltvis er omsluttet av den eller de ledere som utgjør den annen viklings vindingspartier som ligger omgitt av magnetkretsen. Som det har fremgått av ovenstående er det og-så en fordel om denne "koaksiale" føring av vindingspartier i form av innerleder og tilhørende ytterleder, også fortsetter utenfor magnetkretsen i de kortest mulige lengder av vindingene som forløper utenfor denne.

I visse praktiske anvendelser kan det være nødvendig å bruke forholdsvis høye omsetningsforhold eller å ta hånd om forholdsvis høy effekt. Da kan flere slike transformatorer sammenkobles til en gruppe ved at den omtalte annen vikling (lavspentviklingen) på disse kobles i parallell og de første viklinger (primærviklingen) kobles i serie. Et forenklet eksempel på et slikt arrangement er vist på Fig. 5. Her er det skjematisk antydet tre transformatorer av den beskrevne type, med respektive magnetkretsdeler 41A-41B, 4 2A-4 2B og 4 3A-4 3B. Disse er satt sammen i et stjernelignende arrangement med en felles utgang i form av koaksiale rør 51 og 53 med mellomliggende isolasjon 52 analogt med de rørformede utgangsledere øverst på Fig. 2. Uttak fra den lavspente vikling, f.eks. i form av strømpe-ender som tidligere beskrevet, er så koblet til rørene 51 og 52 på hvert sitt sted slik at de tre transformatorer har hver sin sektor på omkring 120° av omkretsen av de koaksiale lederrør 51 og 53. Videre er«det antydet hvordan vindingene i den første vikling ("primærviklingen") på disse transformatorer kan sammenkobles i serie for dannelse av et transformator-arrangement med et høyere omsetningsforhold enn det som hver enkelt transformator gir.

Det er klart at de prinsipper som ligger til grunn for oppfinnelsen, kan realiseres på flere måter i praksis enn det som fremgår av utførelseseksemplene på tegningsfigurene. Blant an-net er det klart at magnetkretsen kan bygges opp eller utfor-mes på andre måter enn ved hjelp av toroidkjerner fordelt på to magnetkretsdeler med hver sin tunnel-lignende gjennomgående åpning for viklingene. Helt tilsvarende eller kanskje bedre elektriske og magnetiske egenskaper vil det kunne oppnås med en magnetkrets bestående av en integrert enhet, f.eks. av ferrittmateriale, forsynt med to gjennomgående viklingsåpninger med forholdsvis stor lengde sammenlignet med tverrmålet.

Claims (8)

1. Anordning ved koblingsinnretning for elektriske kretser i undervannsinstallasjoner, omfattende to koblingsdeler (IA, IB) innrettet til fortrinnsvis induktiv innbyrdes løsbar sammenkobling, karakterisert ved at det i tilknytning til minst en av koblingsdelene (IA, IB) er anordnet en transformator (2, 3) for transformering mellom et forholdsvis lavt spenningsnivå over koblingsinnretningen (1) og et forholdsvis høyt spenningsnivå i en tilstøtende elektrisk krets, for eksempel en overføringskabel (4, 5, 9), hvilken transformator på i og for seg kjent måte omfatter - en magnetkrets (11, 12, 32), - en første vikling med et flertall vindinger (14, 16, 34), - en annen vikling (15, 17, 35) med en eller et fåtall vindinger, og - vindingspartier av begge viklinger som forløper hoved-saklig parallelt gjennom en eller flere åpninger (10, 20) i magnetkretsen (11, 12, 32), idet vindingspartier av den første vikling (14, 16, 34) langs en overveiende del av sin lengde som ligger omgitt av magnetkretsen (11, 12, 32), enkeltvis er omsluttet av den eller de ledere (15, 17, 35) som utgjør den annen viklings vindingspartier som ligger omgitt av magnetkretsen (11, 12, 32).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at transformatoren (2, 3) er sammenbygget med koblingsinnretningen (1) til en integrert enhet (8).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor den annen vikling har én enkelt vinding, karakterisert ved at den annen viklings vindingspartier som ligger omgitt av magnetkretsen (32) har form av en massiv metallbolt (35) med et tverrsnitt som i det vesentlige utfyller åpningen i magnetkretsen (32), og at metallbolten (35) er forsynt med gjennomgående hull for vindingspartiene (34, 36) av den første vikling.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at viklingene er dannet av en ledning med en innerleder (14, 16), et isolasjonslag og en ytterleder (15, 17) som koaksialt omslutter innerlederen, hvilken innerleder utgjør vindingene i den første vikling, mens ytterlederen (15, 17) er elektrisk avbrutt med mellomrom svarende til et helt antall vindinger av innerlederen og er gruppevis sammenkoblet (15A, 15B, 17A, 17B) i parallell, for dannelse av den annen vikling, eventuelt med en isolerende kappe rundt ytterlederen (15, 17).

5. Anordning ifølge krav 4, hvor den annen vikling har én enkelt vinding, karakterisert ved at ytterlederen (15, 17) er avbrutt for hver vinding av innerlederen (14, 16) og at alle ytterlederdeler er parallellkoblet (15A, 15B, 17A, 17B) for dannelse av den annen vikling, samt at ytterlederen fortrinnsvis er uten isolerende kappe.

6. Anordning ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at ytterlederen har form av en flettet metalltrådstrømpe (15, 17).

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at magnetkretsen er sammensatt av toroidkjerner (11A, 11B) av feritt-materiale.

8. Anordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at uttakene (15A, 15B, 17A, 17B) fra den annen vikling er mest mulig direkte forbundet med koaksialt arrangerte utgangsledere som fortrinnsvis har form av innbyrdes isolerte koaksiale metallrør (21, 23) hvis ender er plassert nær de nevnte uttak.