用于海底容纳电气部件的装置及其制造的制作方法

本发明涉及电气部件的容纳，并且具体地涉及用于容纳电气部件的压力补偿海底装置。本文提出的实施方式还涉及这种装置的制造。

背景技术：

油气工业正在不断地寻找海底和更远离海岸的更分散、更深和更小的油田。这导致了对能够实现成本有效的深海油/气开采和回收的海底技术的发展的强烈兴趣。当今，用于驱动大型压缩机和泵负载的功率电子设备在岸上或具有长线缆连接的平台上处于大气压力下。在过去几年中，针对海底技术已经广泛地讨论了压力补偿概念。在压力补偿系统中，电气部件(例如功率转换单元)和相关联的电子电路将在填充有介电液体介质的压力补偿容器中布置在接近或等于外部压力(其在3000米深度处例如高达300巴)的压力下。相同类型的压力补偿系统也用于诸如海底变压器之类的静电感应装置的海底设施。

这种压力补偿系统的发展在电气部件的设计和整个系统的冷却方面产生了独特的挑战。这种系统的关键部件之一是液体介质本身。这是因为在高压和低温下液体的介电击穿行为和热属性将决定功率转换单元的可靠性和压力补偿壳体的尺寸。文献提到绝缘液体的介电属性通常在高压条件下增强，例如参见M.Koch等人的“The breakdown voltage of insulation oil under the influence of humidity,acidity,particles and pressure(绝缘油在湿度、酸度、颗粒和压力的影响下的击穿电压)”，2007年APTADM国际会议，或R.Badent等人的“The effect of hydrostatic pressure on streamer inception and propagation in insulating oil(静水压力对绝缘油中的流形起始和传播的影响)”，1994年IEEE(电气和电子工程师协会)国际电绝缘研讨会的会议记录。然而，在压力补偿系统的设计期间，绝缘液体在高压下的热属性必须被适当地理解和解决。

众所周知，液体的黏度在低温下增大。这在图1的图表中示出，其示出了三种介电油(天然酯、合成酯和变压器矿物油)的动态黏度关于温度的变化。此外，还报道了黏度在高压下显著增大，例如参见D.L.Hogenboom等人的“Viscosity of several liquid hydrocarbons as a function of temperature，pressure and free volume(几种液体烃的黏度作为温度、压力和自由体积的函数)”，1967年的《化学物理期刊》的第46卷第7号第2586至2598页。结果，在高压和低温下液体的冷却性能是关注的原因。

通常，为了实现高可靠性，寻求基于自然对流的冷却方案。在这种情况下，冷却介质的高黏度降低了流率，因而降低了冷却性能。另一方面，如果选择泵送冷却，则冷却介质的高黏度增加了所需的泵送功率。液体的另一个关键的材料属性是热导率。对于旨在在高压下工作的海水冷却自然对流冷却系统，低油传热系数通常表示系统中的最高热阻。因此，高导热性对于冷却介质是显著的优点。

EP 2717401 A1涉及一种包括第一和第二海底电气装置的海底电功率系统以及提供海底电功率系统的方法。

US 2002/139962 A1涉及一种用于变压器的介电流体。特别地，其涉及介电异链烷烃(isoparaffinic)基变压器流体。

Petro-Canada(加拿大石油公司)的“Luminol Product from Petro-Canada for Subsea Oil Gas Application(加拿大石油公司的用于海底油气应用的发光氨产品)”非常简要地描述了“Luminol(发光氨)”或发光氨合成的异链烷烃流体。该文献涉及海底油气工业，但没有明确提及压力补偿海底装置。

因此，仍然存在对在海底功率系统中使用的高效介电液体的需要。

技术实现要素：

本文的实施方式的目的是提供在海底功率系统中使用的高效介电液体。

根据第一方面，提供了一种用于容纳电气部件的压力补偿海底装置。该装置包括压力补偿壳体。压力补偿壳体填充有介电液体。该装置包括至少一个电气部件。所述至少一个电气部件设置在压力补偿壳体内。介电液体是包含异链烷烃的烃类介电液体。

有利地，这提供了在海底功率系统中使用的高效介电液体。

有利地，这提供了除了对于高压应用中具有优异的介电性能之外，在高压和低温下还具有显著增强的热特性的绝缘液体溶液。

有利地，使用异链烷烃基烃液体将导致该装置的高效的热设计，这又将增加该装置在海底环境中使用时的可靠性。

有利地，与其它绝缘流体相比，异链烷烃液体的使用将导致具有较小占位面积的布置，从而显著影响产品成本。对于海底安装，这是特别重要的，因为海底设备的重量受到用于安装和取回设备的船的起重机系统的限制。

根据一个实施方式，烃类介电液体包含至少50％的体积百分数(vol％)的异链烷烃。例如，烃类介电液体可以包含至少51vol％的异链烷烃。

根据一个实施方式，烃类介电液体在约100巴至约1000巴的压力之间在4℃下具有约100mPa至约500mPa的动态黏度。

根据一个实施方式，烃类介电液体在高于约1000巴的压力下在4℃下具有高于约500mPa·s的动态黏度。

根据一个实施方式，烃类介电液体在约30℃的温度和约1巴的压力下具有高于0.10W/(m·K)的热导率。

根据一个实施方式，烃类介电液体在50℃和300巴下具有小于10mPa·s的动态黏度，并且在50℃和300巴下具有高于0.13W/(m·K)的热导率。模拟和一些实验表明，具有这些参数值的烃类介电液体具有足够的热承载能力，并且即使在高压下，黏度也是足够低的，以使自然对流冷却在用于容纳电气部件的压力补偿海底布置中是高效的。

发明人已经发现，为了在100m或更深的深度(对应于11巴的压力)安装用于容纳电气部件的压力补偿海底装置，使用包含异链烷烃的烃类介电液体是重要的。在小于100m的深度，其它类型的介电液体可以使用，但包含异链烷烃的介电液体具有显著的优点，因为它具有比这些其它类型的介电液体更低的动态黏度和更高的热导率。

根据一个实施方式，烃类介电液体具有高于165℃的闪点。

根据一个实施方式，所述至少一个电气部件中的一个是半导体子模块的一部分。

根据一个实施方式，所述至少一个电气部件中的一个是功率电子集成块(PEBB)的一部分。

根据第二方面，提供了一种制造用于容纳电气部件的压力补偿海底装置的方法。该方法包括提供压力补偿壳体。该方法包括在压力补偿壳体内提供至少一个电气部件。该方法包括用介电液体填充压力补偿壳体。介电液体是包含异链烷烃的烃类介电液体。

根据一个实施方式，该方法包括将壳体下降到水体中。水体可以是海洋或湖泊。

应当注意，第一方面和第二方面的任何特征都可以在任何适当的情况下应用于任何其他方面。同样地，第一方面的任何优点可等同地分别适用于第二方面，反之亦然。所附实施方式的其他目的、特征和优点将从以下详细公开内容、从所附从属权利要求以及从附图中显而易见。

通常，权利要求中使用的所有术语应根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。所有对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的描述将被开放地解释为涉及元件、装置、部件、装置、步骤等的至少一个实例的情形，除非另有明确说明。本文公开的任何方法的步骤不是必须以所公开的特定顺序来执行，除非另有明确说明。

附图说明

现在参照附图通过示例描述本发明，其中：

图1是示出介电油的动态黏度关于温度的变化的曲线图；

图2示意性地示出了加氢裂化/加氢异构化处理；

图3示意性地示出了使用Fisher-Tropsch处理的GTL技术；

图4是示出在300巴的压力下，不同油中的动态黏度关于温度的变化的曲线图；

图5是示出在300巴的压力下，不同油中的热导率关于温度的变化的曲线图；

图6是示出根据一个实施方式的用于海底容纳电气部件的装置的示意图；以及

图7是根据一些实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方式；相反，这些实施方式是作为示例提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在通篇说明书中，相同的数字指代相同的元件。

图6是示出根据一个实施方式的用于容纳电气部件的压力补偿海底装置10的示意图。本文公开的实施方式基于使用绝缘液体溶液，其与在海底容纳电气部件的布置中使用的已知绝缘液体相比，除了对于高压应用具有优异的介电性能之外，还在高压和低温下具有显著增强的热特性。

装置10包括压力补偿壳体20。压力补偿壳体20填充有介电液体30。装置10还包括至少一个电气部件40。所述至少一个电气部件40设置在压力补偿壳体20内。介电液体30是包含异链烷烃的烃类介电液体。

压力补偿容器中的压力平衡可以通过用诸如介电液体之类的液体填充容器以及通过称为补偿器的机械柔性压力补偿装置来实现，以补偿由于压力和温度变化而导致的可能的液体体积变化。因此，压力补偿壳体10可以布置有压力补偿装置(未示出)。在图6所示的说明性示例中，装置10设置在水体50的海床60处。水体50可以是海洋或湖泊。例如，装置10可以安装在约1000m或更深的水深处。

压力补偿容器被设计成使得压力补偿容器中的液体的正常操作温度在容器中的电气部件的正常负载下将为50至70摄氏度。

因此，根据本文公开的布置，提出了使用基于异链烷烃的绝缘液体溶液，除了对于高压应用中具有优异的介电性能之外，其在高压和低温下还具有显著增强的热特性。与现有技术相比，所提出的介电液体的热属性的差异归因于液体介质的化学性质。

现在将依次描述与介电液体30有关的不同实施方式。

根据一个实施方式，本文公开的烃类介电液体包含至少50％的体积百分数(vol％)的异链烷烃。例如，烃类介电液体可以包含至少51vol％的异链烷烃。优选地，烃类介电液体包含甚至更高份额的异链烷烃，例如至少70vol％的异链烷烃，优选大于70vol％的异链烷烃。

异链烷烃液体可以通过严格的原油的加氢裂化和加氢异构化处理或通过使用Fisher-Tropsch处理的气体至液体(GTL)技术得到。图2示意性示出了加氢裂化/加氢异构化处理。该处理包括在步骤S202中提供原油。该处理包括在步骤S204中对原油应用蒸馏处理。该处理包括在步骤S206中对在步骤S204中获得的产物应用加氢裂化处理。该处理包括在步骤S208中对在步骤S206中获得的产物应用加氢异构化处理。该处理包括在步骤S210中对在步骤S286中获得的产物应用加氢处理(hydro treatment)工艺。该处理包括在步骤S212中对在步骤S210中获得的产物应用蒸馏处理。该处理包括在步骤S214中获得作为在步骤S212中获得的产物的异链烷烃液体。图3示意性地示出了使用Fisher-Tropsch处理的GTL技术。该处理包括在步骤S302中向天然气(例如甲烷)中加入氧。该处理包括在步骤S304中向氧气和天然气应用氧化处理以获得氢气和一氧化碳。该处理包括在步骤S306中向氢气和一氧化碳应用催化处理以获得Fisher-Tropsch产物。该处理包括在步骤S308中对Fisher-Tropsch产物应用加氢裂化处理。该处理包括在步骤S310中获得作为在步骤S308中获得的产物的异链烷烃液体。

实验结果表明，异链烷烃液体在高压环境下比传统使用的矿物油、合成酯和硅油具有更好的黏度特性。

根据一个实施方式，本文公开的烃类介电液体在约100巴至约1000巴的压力之间在4℃下具有约100mPa·s至约500mPa·s的动态黏度。根据一个实施方式，本文公开的烃类介电液体在高于约1000巴的压力下在4℃下具有高于约500mPa·s的动态黏度。

图4示意性地示出了在300巴的压力下，不同油中的动态黏度关于温度的变化。从图4可以看出，异链烷烃液体具有较低的动态黏度。在更高的压力下，观察到异链烷烃液体具有优于其他油的如下优点，即在1000巴和4℃的温度下的动态黏度是传统变压器矿物油的至少2.5倍低。

一般来说，热导率(通常表示为k、λ或κ)是介电液体传导热的性质。它主要根据用于热传导的傅立叶定律来评估。根据一个实施方式，本文公开的烃类介电液体在约30℃的温度和约1巴的压力下具有高于0.10W/mK的热导率。

根据一个实施方式，烃类介电液体在50℃和300巴下具有小于10mPa·s的动态黏度，并且在50℃和300巴下具有高于0.13W/(m·K)的热导率。

与矿物油相比，异链烷烃液体在高压下的高热导率意味着对油的显著提高的传热系数。异链烷烃液体优于其它介电液体的优点在高于100巴的压力下开始更显著。图5示意性地示出了在300巴的压力下，不同油中的导热率关于温度的变化。

一般来说，介电液体的闪点是介电液体可以在该温度下蒸发以形成空气中的可燃混合物的最低温度。测量闪点通常需要点火源。在闪点，当撤走点火源时，蒸汽可以停止燃烧。根据一个实施方式，本文公开的烃类介电液体具有高于165℃的闪点。

介电液体30和压力补偿壳体20用作所述至少一个电气部件40的冷却系统。当设置在水体50中时，水体50也可以是所述至少一个电气部件40的冷却系统的一部分。对相关几何形状的热分析已经表明，这个动态黏度和热导率方面的优点对压力补偿电气系统中的冷却系统的设计具有显著的影响，特别是在增加的海洋深度处。更重要的是，与包括常规变压器矿物油、合成酯液体或硅油作为介电液体的类似布置相比，具有异链烷烃液体的压力补偿壳体20的尺寸(因此还有装置10的尺寸)可以显著减小。

硅油不太环保，因为硅油不太能够生物降解。硅油渗入水中是比其它类型的介电液体(如矿物油、合成酯液体或异链烷烃液体)渗入到水中更严重的问题。因此，对用于容纳电气部件的压力补偿海底装置，应当避免硅油。硅油如果污染任何物质，则难以清洁。对于小封装部件，硅油是好的；然而，对于如本文考虑的大系统，难以使用硅油。

除了上述优点之外，异链烷烃液体还具有优异的介电性质和类似于传统矿物油特性的氧化稳定性能。此外，异链烷烃液体的生物降解性比在变压器中使用的传统矿物油更好(>40％)。

现在将公开与装置10的进一步细节相关的实施方式。

存在可以设置在压力补偿壳体20内的电气部件40的不同示例。例如，所述至少一个电气部件40中的每一个可以是功率转换单元或静电感应装置的一部分。例如，所述至少一个电气部件40中的每一个可以是半导体子模块的一部分。例如，所述至少一个电气部件20中的每一个可以是功率电子集成块(PEBB)的一部分。这里，术语PEBB应当解释为功率电子部件的任何机械组件。PEBB可以适用于电压源转换器。电压源转换器可以被配置用于各种应用，诸如功率质量、静态频率转换、动态VAr补偿和用于能量存储的功率调节系统。例如，所述至少一个电部件20中的每一个可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率半导体元件的一部分。

图7是根据一些实施方式的本文公开的制造用于容纳电气部件的压力补偿海底装置10的方法的流程图。

该方法包括在步骤S102中提供压力补偿壳体20。该方法包括在步骤S104中在压力补偿壳体内提供至少一个电气部件40。该方法包括在步骤S106中用介电液体30填充压力补偿壳体。介电液体30是包含异链烷烃的烃类介电液体。

该方法可以包括将压力补偿壳体20下降到水体50中的可选步骤S108。水体可以是海洋或湖泊。

上面已经参考几个实施方式主要描述了本发明的构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了上面公开的实施方式之外的其它实施方式在由所附专利权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。