NO172877B - Kapasitivt, avbryter-koplingsstykke for elektrisk hoeyfrekvens-signalkopling eller elektrisk effektkopling i et undervannsmiljoe - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et kapasitivt avbryter-koplingsstykke for elektrisk høyfrekvens-signalkopling eller elektrisk effektkopling i et undervannsmiljø. Under visse forhold ved olje- og gassproduksjon, for eksempel ved marginale felter, ekstreme ugjestmilde sjøforhold, stor vanndybde, formasjoner med stor utstrekning, etc, kan en del av produksjonsinstal-lasjonen være beliggende på havbunnen. Brønnhoder og rørled-nings-grenrør blir da typisk anvendt som undervannsinstallasjoner.

For tiden går tendensen ved undervannsinstallasjoner i retning mot "våt-kompletteringer", hvilket medfører at utstyret ér utsatt for sjøvann.

Systemer er blitt utviklet for overvåkning og styring av undervannsinstallasjoner. Kravet til slike systemer er økende når installasjonene er mer kompliserte, for eksempel når et antall brønner produserer i én havbunnsforbindelsesled-ning eller når installasjon utføres utenfor den generelt aksepterte dykkingsdybde.

Undervannsstyresystemer kan ha en ganske dårlig ytelse som følge av sviktende elektriske sammenkoplinger mellom disse systemers følere og aktuatorer og de overflate-monterte systemdeler.

Den foreliggende oppfinnelse angår spesielt en løs-ning på disse sammenkoplingsproblemer.

Elektriske avbryter-koplingsstykker for undervanns-bruk, for eksempel slike som er nødvendige i elektro-hydrau-liske styresystemer for undervannsinstallasjoner, har hittil vært basert enten på det alminnelig kjente, konvensjonelle plugg- og samleskinneprinsipp, eller på induktiv kopling slik som f.eks. vist i US-A-4 030 058.

På grunnlag av pålitelighetsbetraktninger foretrekkes sistnevnte valgmulighet i mange moderne undervannssystemer.

Induktive kopiere har imidlertid likevel forskjellige ulemper. Induktive kopiere for overføring av effekt (f.eks. 1 kVA) er forholdsvis plasskrevende. På grunn av sin konstruk-sjon har de vanligvis en dårlig effektfaktor, hvilket forrin-ger den totale systemeffektivitet i vesentlig grad når de er sammenkoplet i mer enn f.eks. fire nivåer.

På grunn av det krav at det under konstruksjonens levetid på f.eks. 2 5 år ikke skal komme inn noe vann i de elektriske eller magnetiske deler, er dessuten konstruk-sjonen kritisk og følgelig kostbar.

Bortsett fra ulempen med stor størrelse deler induktive signalkoplere ulempene til effektkoplere.

Deres forholdsvis lave impedans ved høye frekvenser hindrer dessuten overføring av signaler med høy frekvens (f.eks. 100 kHz) fra høyimpedanskilder, såsom en piezo-elektrisk krystall eller en kapasitiv føler.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe et elektrisk undervanns-koplingsstykke for overføring av elektriske signaler eller effekt mellom de undervanns-installas jonsdeler som skal sammenkoples elektrisk, basert

på kapasitiv kopling, og som tilbyr gode egenskaper både for effekt- og signalanvendelser.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe et enkelt, billig og meget pålitelig, undervanns-tolerant, kapasitivt undervanns-koplingsstykke.

Det er enda et formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe et kapasitivt undervanns-koplingsstykke som er innrettet til å overføre signaler med så godt som ubegrenset øvre frekvens.

Ifølge oppfinnelsen er det for dette formål tilveie-brakt et kapasitivt avbryter-koplingsstykke for elektrisk høyfrekvens-signalkopling eller elektrisk effektkopling i et undervannsmiljø, omfattende en kondensator som omfatter første og andre isolerende husdeler, hvilke deler er tilpasset for mekanisk sammenpasning med hverandre, idet hver del omfatter en respektiv elektrode som, når den neddykkes, dekkes på den ene side med et dielektrisk sjikt, idet elektrodene er beliggende overfor hverandre når husdelene er sammenpasset med hverandre, idet elektrodene har midler for forbindelse med undervanns-installasjonsdeler som skal koples kapasitivt til hverandre, idet et hulrom er dannet mellom elektrodene og er isolert fra sjøvannsomgivelsene, hvilket hulrom fylles med sjøvann når koplingsstykket neddykkes, hvilket koplingsstykke er kjennetegnet ved at elektrodematerialet er slik at det, når det utsettes for en oksiderende omgivelse, utvikler et tynt

oksidsjikt som virker som et dielektrikum.

Slik som allerede angitt i det foregående, er den elektriske kopler ifølge oppfinnelsen basert på prinsippet med kapasitiv' kopling av elektriske kretser.

Teorien med kapasitiv kopling som sådan er kjent for fagfolk på området og vil ikke bli beskrevet ytterligere.

Det skal bemerkes at GB-A-1 404 488 angår en kop-lingsanordning som omfatter et galvanisk batteri (dvs. like-strøm) i en ufullstendig, elektrisk krets som aktiveres og gjøres komplett ved innføring av vann i batteriet. Selve vannet benyttes som den nødvendige leder, og strøm flyter gjennom batteriet inn i den nødvendige krets og aktiverer en sekvenskoplingsanordning.

Videre viser US-A-4 337 501 en elektro-kjemisk kondensator for anvendelse i elektriske kretser.

Et kapasitivt undervanns-avbryter-koplingsstykke for elektrisk høyfrekvens-signalkopling eller elektrisk effektkopling, hvor koplingsstykkets operasjon er basert på passering av høyfrekvent elektrisk strøm gjennom et dielektrisk sjikt, særlig oksidhinnen av passive metaller og/eller legeringer, er imidlertid ikke vist i de nevnte publikasjoner.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til tegningen hvis ene figur skjematisk viser det kapasitive koplingsstykke ifølge oppfinnelsen.

På tegningen er det vist et kapasitivt undervanns-koplingsstykke 1. Koplingsstykket omfatter en første del I

og en andre del II som er innrettet for mekanisk sammenpasning. Delene I, II omfatter respektive elektroder 2 hhv.2' som er beliggende overfor hverandre. Elektrodene 2,2' kan for eksempel være metallplater.

Elektrodene 2,2' er dekket av et dielektrisk sjikt

3 hhv.3' på de respektive sider som er rettet mot hverandre.

De første og andre deler I, II, som f.eks. kan

være fremstilt av isolerende materiale 4,4', passer sammen mekanisk på en slik måte at et hulrom 5, som fullstendig eller for størstedelen er isolert fra sin sjøomgivelse, gjenstår mellom elektrodene 2,2'.

Når hulrommet er nedsenket, er det fylt av sjø-

vann.

Delene I, II er forsynt med vilkårlige anordninger

6 hhv.6' som er egnet for sammenkopling av disse deler med de respektive undervanns- installasjonsdeler som skal koples kapasitivt (for klarhetens skyld ikke vist). Disse anordninger 6,6' omfatter elektriske forbindelser 7 hhv.7'

for forbindelse av de respektive elektroder 2,2' med passende elektriske deler av de undervanns-installasjoner som skal sammenkoples elektrisk.

De dielektriske sjikt 3,3' kan bestå av hvilket

som helst passende materiale med gode dielektriske egenskaper.

I fordelaktige utførelser av oppfinnelsen benyttes sådanne materialer som "Hastelloy-C", "Monel", "Inconel" eller titan. "Hastelloy-C", "Inconel" og "Monel" er registrerte varemerker for nikkel-legeringer hvis sammensetninger er kjente for fagfolk på området og ikke skal beskrives nærmere.

Når disse materialer utsettes for en oksiderende omgivelse, såsom sjøvann, utvikler de en tynn oksidhinne

som kan benyttes som et dielektrisk sjikt.

I fordelaktige utførelser av oppfinnelsen har sjiktene en tykkelse i området 0,3 - 10 nm, og hver plate

kan ha et areal som varierer fra 1 cm 2 (f.eks. for signalanvendelser) til 1000 cm 2(f.eks. for høyeffektanvendelser).

Virkemåten av anordningen ifølge oppfinnelsen

er som følger:

Når en vekselspenning påtrykkes over elektrodene 2,2', begynner det å flyte en strøm som spenner over de dielektriske sjikt 3,3' som en kapasitiv strøm (forskyv-ningsstrøm) og det sjøvannsfylte hulrom 5 som en resistiv strøm (ionestrøm).

Da sjøvann er en akseptabel leder, er hulrommets motstand lav og kan neglisjeres sammenliknet med de andre impedanser som er involvert.

Målinger har vist at ved 10 kHz er den kapasitive del av strømmen gjennom de dielektriske sjikt flere størrel-sesordener over den resistive del (dvs. den del som er rela-tert til lekkasje gjennom oksidsjiktet).

Koplingsstykket er således et "kapasitivt koplingsstykke".

Det vil innses at elektrodene kan ha hvilken som

helst størrelse og form som er egnet for formålet.

Ved å øke størrelsen på elektrodene kan merke-effekten til et kapasitivt koplingsstykke økes til hvilken som helst verdi. En begrensning vil imidlertid være pålagt på grunn av tapene i den tilhørende undervannskabling, særlig på grunn av skinneffekten.

Beregninger har vist at merkeeffekter på 5 kVA er mulige med akseptabel økning i kabelkompleksitet. Denne ytelse kan sammenliknes med den maksimale merkeeffekt til for tiden tilgjengelige, induktive kopiere.

Claims (6)

1. Kapasitivt avbryter-koplingsstykke for elektrisk høyfrekvens-signalkopling eller elektrisk effektkopling i et undervannsmiljø, omfattende en kondensator som omfatter første og andre isolerende husdeler (I, II), hvilke deler er tilpasset for mekanisk sammenpasning med hverandre, idet hver del omfatter en respektiv elektrode (2, 2') som, når den neddykkes, dekkes på den ene side med et dielektrisk sjikt (3, 3'), idet elektrodene er beliggende overfor hverandre når husdelene er sammenpasset med hverandre, idet elektrodene har midler (7, 7') for forbindelse med undervanns-installasjonsdeler som skal koples kapasitivt til hverandre, idet et hulrom er dannet mellom elektrodene og er isolert fra sjøvannsomgivelsene, hvilket hulrom fylles med sjøvann når koplingsstykket neddykkes, KARAKTERISERT VED at elektrodematerialet er slik at det, når det utsettes for en oksiderende omgivelse, utvikler et tynt oksidsjikt som virker som et dielektrikum.

2. Koplingsstykke ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at elektrodene er plater.

3. Koplingsstykke ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at platene er forsynt med en oksidhinne av titan.

4. Koplingsstykke ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at de dielektriske sjikt har en tykkelse i området 0,3 - 10 nm.

5. Koplingsstykke ifølge ett av kravene 1-4, KARAKTERISERT VED at de første og andre husdeler er dannet av isolerende materiale.

6. Koplingsstykke ifølge ett av kravene 2-5, KARAKTERISERT VED at platene har et areal i området 1 - 1000 cm<2>.