海底保险丝装置和包括该海底保险丝装置的海底装置的制作方法

本实用新型涉及一种海底保险丝装置，其可用于海底设备中的电气和电子电路。此外，本实用新型涉及一种包括含有这种海底保险丝装置的电路的海底装置。

背景技术：

在海底应用中，例如海底石油生产，海底装置可包括电气和电子电路。可以包括例如所谓的海底罐的海底装置可以布置在几百甚至几千米的深度处，例如在3000米的深度处。可以对海底装置进行压力补偿，使得内部压力基本上对应于环境压力，该环境压力可以在几百巴的范围内，例如在3000米处为300巴。这种压力补偿海底装置可以填充有流体，例如油，其可以在环境压力下加压。因此，非常高的环境压力也作用在布置于海底装置内的电气或电子电路上。

在电子和电气电路中，保险丝用于保护部件或(子)电路免于过载和短路。通常使用的一次性保险丝装置包括导电元件，如果(例如在故障的情况下)导电元件中的电流超过预定值，该导电元件将熔化或蒸发。通过熔化或蒸发导电元件，保险丝变得不导电并将部件或(子)电路与电路或系统的其余部分隔离。

由于至少两个原因，在压力补偿海底装置中使用现成的保险丝是禁止的。首先，试验表明，当在高环境压力下浸入油中时，保险丝不能可靠地熔化或蒸发。其次，油通常用作隔离流体并且将被保险丝的导电元件的熔化或蒸发的残余物污染并变得导电。

因此，需要一种在高压下在充油的海底装置中可靠地运行的保险丝。

共同未决的国际申请wo2017/153097公开了一种用于压力补偿海底装置的保险丝装置，其中保险丝装置包括壳体，该壳体允许保险丝的导电元件以比在压力补偿装置中存在的压力(例如300巴)低得多的压力(例如0-2巴)布置在壳体内。wo2017/153097中公开的设计适用于玻璃壳体，在这种情况下，海底保险丝装置可以如下制造。保险丝线可以穿过玻璃管的相对端部，使得中心区段布置在玻璃管内，并且保险丝线的第一端部区段和第二端区段布置在玻璃管的相对端部。将玻璃管的端部加热至熔点，以分别在第一和第二端部区段周围形成密封。

已经发现，该加热过程可能损坏保险丝的导电元件或改变其特性，使得导电元件可以在比预定最大电流更低或更高的电流下熔化或蒸发。

共同未决的国际申请pct/ep2017/080187提出了一种保险丝设计，其中保险丝壳体包括包围低压中空空间的由隔离材料制成的耐压外壳、第一金属化馈通和第二金属化馈通，其通过外壳与第一馈通电隔离。

因此，wo2017/153097和pct/ep2017/080187都公开了专门为海底环境设计的保险丝，其制造成本比现成的保险丝更昂贵。此外，这种定制保险丝需要进行设计成在地面操作的标准现成保险丝已经经过的广泛可靠性测试。

因此，本实用新型的目的是提供一种海底保险丝装置，其有助于在高压海底环境中使用标准的市售保险丝。

技术实现要素：

根据本实用新型，提供了一种海底保险丝装置，在部署时暴露于高环境压力，其包括包围低压中空空间的金属保险丝壳体和布置在低压中空空间中的保险丝，保险丝具有两个电连接器，其中保险丝的电连接器之一电气地和导热地联接到金属保险丝壳体，以便在保险丝连接器和壳体之间提供电连接并从保险丝散热。

将一个保险丝连接器直接联接到壳体上提供的优点是，对于该连接器，不需要耐压馈通以保持中空空间中的低压，这是使用设计成用于地面使用的保险丝的先决条件。联接可以优选地通过壳体和保险丝连接器之间的接触弹簧。导热联接解决了当设计成用于地面使用的保险丝部署在没有(强制)空气运动来冷却保险丝的壳体中时可能出现的热问题。由通过保险丝的电流产生的热量至少部分地通过保险丝和壳体之间的导热联接消散。

此外，这种直接联接在电感方面可以比双馈通设计具有更小的影响并且更容易组装。它更具成本效益，允许更小的海底保险丝装置并且具有更高的可靠性，因为可以省略一个易于故障的馈通。

在优选实施例中，对于保险丝的不与金属保险丝壳体电接触的电连接器，提供了包括穿过金属保险丝壳体的馈通连接器的电馈通，其中馈通是压力密封的，并且其中馈通连接器与金属保险丝壳体电隔离。有利地，如上所述，仅需要一个这样的馈通，降低了成本并提高了保险丝装置的可靠性，要注意的是，馈通实际上经常通过保险丝装置外部的充油和压力补偿区域与保持保险丝且没有填充油的低压空间之间的屏障。

两种壳体形状具有特别意义：基本上是圆柱形的，因为圆柱体对于给定的壁强度提供最佳的耐压性，以及基本上是长方体形状的，用于将海底保险丝装置安装在母线中的相应凹部中，该母线可以安装在海底装置比如海底电容器的顶部上。只要壁强度足够，圆柱形或长方体罐形状在一端具有压力和液密性，并且在另一端提供馈通开口。

根据本实用新型，还提供了一种海底装置，包括外壳和布置在外壳内的电路，其中电路包括根据本实用新型的海底保险丝装置。

海底装置的外壳可以优选地填充有流体并且包括体积/压力补偿器，其将外壳内的压力与外壳外部的环境中主导的压力平衡。流体优选是油或另一种介电流体。

优选地，保险丝装置的至少一个电馈通连接器暴露于流体。

在实施例中，电路可以包括海底电容器，海底电容器具有母线，母线具有与海底保险丝装置的外部形状相称的至少一个凹部，并且其中海底保险丝装置安装在至少一个凹部中。

在这样的实施例中，海底保险丝装置所需的额外空间可以减小，因为保险丝装置的至少一部分将与母线一体地安装。

在实施例中，海底保险丝装置安装在母线的凹部中使得(例如通过在凹部边缘处提供接触弹簧)保险丝装置的金属壳体增强母线在凹部上的传导性。由此可以至少部分地补偿由凹部引起的减小轮廓所造成的母线的减小的传导性。

应当注意，因为保险丝的金属接触表面联接到金属保险丝壳体并且取决于保险丝装置布置在电路中的位置，保险丝壳体可以是承载电压的。如果部署在隔离承载电压的保险丝壳体的介电(即电隔离)流体中，则可以有利地不需要用于将承载电压的壳体与其他部件隔离的附加措施。

金属保险丝壳体是耐压的，这意味着在密封状态下，保险丝壳体的中空空间内的压力独立于保险丝壳体外部的环境压力。例如，保险丝壳体内的压力可以是0.10巴，优选地是0.2巴，与外部压力无关，外部压力(在部署保险丝时)可以在50到几百巴的范围内。根据本实用新型构造的海底保险丝装置比设计成用于地面部署的传统保险丝装置更昂贵。它可以有利地在任何深度提供相同的精度和可靠性，因此通常将被部署在与地面装置不同的实际上能以进行日常维护的装置中。有利地，海底保险丝装置可以包括为地面使用而设计和可靠性测试的任何保险丝，并且需要针对海底部署进行测试的全部都是保险丝壳体的耐压性。

中空空间可被抽空或包含任何介质，包括：气体比如空气、氮气或sf6；液体；凝胶比如有机硅；固体材料比如沙子。

上述壳体还可以容纳专门为海底条件设计的任何定制保险丝。

尽管在上述实用新型内容和以下结合本实用新型的特定实施例和方面的详细描述中描述了特定特征，但应该理解的是，除非另有特别说明，否则各个实施例和方面的特征可以彼此组合。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本实用新型。

图1示出了根据本实用新型实施例的海底装置的示意图。

图2-3示出了根据本实用新型不同实施例的海底保险丝装置的示意图。

具体实施方式

图1示出了海底装置10，例如海底罐，其可以布置在海底环境中，用于容纳电气部件或电路11。为了与布置在其他海底装置中的其他部件通信并且为了向电路11供应电能，数据和能量供应连接12可以设置成从海底装置10的内部延伸到海底装置10的外部。海底装置10可以布置和操作于深水环境中，例如在3000米的深度处。海底装置10包括外壳13，其保护外壳13的内部免受环境例如盐水影响。

对于这种海底装置的构造，存在两个主要解决方案以解决深海环境中存在的高压。在第一主要解决方案中，提供了巨大的耐压外壳，用于保护内部免受高压影响。然后内部将处于低得多的压力，例如处于大气压力，以便于使用设计成用于地面使用的电气和电子部件而无需额外的措施。这种外壳必须具有一定的最小壁强度，以便承受高压差，因此又大又重。该第一主要设计变型在此不再感兴趣，因为可以在其中使用设计成用于地面使用的保险丝而无需额外的壳体等。

在如图1所示的第二主要设计中，使用加压(或压力补偿)的外壳13，其包括体积/压力补偿器14，用于平衡外壳中的压力与环境海水中的压力。压力补偿外壳13通常填充有流体17，通常是油，因为它是良好的热导体，不可压缩(如所有液体)，并且电隔离，使得外壳中的电气部件不需要隔离。压力/体积补偿器14补偿由于环境压力或温度的变化而可能发生的填充外壳13的流体17的体积的变化。温度变化可能是由于在海底位置的部署或内部加热引起的，例如由于电损失。

这种设计的关键挑战之一是压力补偿外壳13内的每个部件需要可在高压下操作。

电路11可以包括电部件15和16，包括但不限于子电路和电容器。可能必须保护部件15、16中的一些免于过载和/或短路。因此，海底保险丝装置100/200设置在至部件15的电源连接12中。

如上所述，外壳13的内部可以填充有流体17，例如介电油。因此，海底保险丝装置100/200在部署时将在大多数情况下被流体17包围并与之直接接触。此外，由于通过压力补偿器14对外壳13进行压力补偿，流体17可以基本上被加压成与外壳13外部相同的压力。在海底应用中，该压力可以例如是300巴。因此，海底保险丝装置100/200必须在这种压力条件下可靠地操作。

图2更详细地示出了合适的海底保险丝装置100的第一实施例。海底保险丝装置100包括保险丝壳体107，其由金属制成并且可以具有管状形式并且优选地基本上是圆柱形或长方体罐。

保险丝壳体107包围中空空间110，保险丝105布置在该中空空间110中，例如设计成用于在地面条件下使用的标准保险丝。

在实施例中，保险丝105的第一连接器或端子151通过一个或多个接触弹簧106与壳体107直接接触，从而实现第一端子和壳体之间的电气地和导热联接。第一端子151布置在罐形或其他方式封闭的壳体的封闭端。壳体可优选地在该端部处是块状的，以改善散热和结构稳定性。在其他实施例中，保险丝壳体可以基本上是块状结构，其基本上具有盲孔以容纳保险丝105和其他元件，如下所述。

保险丝的第二端子152连接到馈通连接器101，其是穿过并延伸超过保险丝壳体107的导体。在保险丝壳体连接器101内部的端部处，其附接到或包括成形为接收第二保险丝端子152的装置103。

第一隔离器108围绕电馈通连接器101。第一压力密封109设置在隔离器108和电馈通连接器101之间。第二压力密封102设置在隔离器108和壳体107之间。

第二隔离器104围绕保险丝，以在保险丝壳体107和包括第二保险丝端子152、连接器101和装置103的布置之间提供隔离。

保险丝壳体可以包括两个部分，使得存在设计成用于接收保险丝的第一部分和包括连接器101、密封102和109以及隔离器108的馈通组件被预制在其中的另一部分。有利地，馈通组件则可以具有比保险丝更小的直径。在第二壳体部分与第一壳体部分连接之前，保险丝和第二隔离器插入第一壳体部分。接头(未示出)可以例如是带纹的接头或包括耐压垫圈的压配接头。

图3更详细地示出了合适的海底保险丝装置200的第二实施例。海底保险丝装置200包括保险丝壳体207，其由金属制成并且可以具有管状形式并且优选地基本上是圆柱形或长方体罐。

保险丝壳体207包围中空空间210，保险丝205布置在该中空空间210中，例如设计成用于在地面条件下使用的标准保险丝。

在实施例中，保险丝205的第一端子251通过一个或多个接触弹簧206与壳体207直接接触，从而实现第一端子251和壳体之间的电气地和导热联接。第一端子251布置在罐形或其他方式封闭的壳体207的封闭端。壳体可优选地在该端部处是块状的，以改善散热和结构稳定性。在其他实施例中，保险丝壳体可以基本上是块状结构，其基本上具有盲孔以容纳保险丝205和其他元件，如下所述。

保险丝的第二端子252连接到馈通连接器201，其是穿过并延伸超过保险丝壳体207的导体。在保险丝壳体连接器101内部的端部处，其附接到或包括成形为接收保险丝第二端子252的装置203。

隔离器204围绕电馈通201和至少一部分保险丝，以在第二端子252和保险丝壳体207之间提供隔离。第一压力密封209设置在隔离器204和电馈通连接器201之间。第二压力密封202设置在隔离器204和壳体207之间。

保险丝壳体可以再次包括如参考图2所述的两个部分。然而，优选地，保险丝壳体207是具有保险丝205在其中的盲孔的单件式块状圆柱体或长方体，其中绝缘体204和馈通连接器201安装成使得产生压力密封202和209。优选地，保险丝205的主体和馈通连接器201具有基本相同的外径。

海底保险丝装置100、200使得能够在充油和加压环境中隔离故障部件15。然而，海底保险丝装置100、200也可用于其他类型的海底装置。海底保险丝装置100、200在保险丝断开的情况下防止油的污染。它还可以帮助避免较大系统的完全失效，因为可以使用经过充分测试的地面保险丝，其被证明可以按预期可靠地断开，特别是在通常置于难以接近的高周围压力环境中(例如在海床上)并且可能使维护困难和昂贵的海底装置中。

虽然本实用新型特别适用于深水海底应用，但它当然也可以应用于压差较小的系统中。