冷却装置的制作方法

本发明涉及一种用于使电力电缆冷却的冷却装置。

背景技术：

用于输送电力的电力电缆通常包括至少一个保护套或套管。例如，起始于发电机的能量导体能够单独地具备绝缘套并且在集束状态下被由HDPE（高密度聚乙烯）或类似塑料制成的结实的电缆保护套所包覆。电力电缆通常包括多个能量导体（具体地由铜制成），这些能量导体被容纳于电缆保护套内并且以水密的方式被包埋于其中，从而防止电能导体受到机械和化学损伤。

就风电场而言，电力电缆是用于例如在风电场的各风力机之间并且/或者在风力机与电力变电站之间传输电力。通常情况是电力电缆在风力机的下区离开风力机，例如被布置在下塔架区中或者负荷承载结构的上区中的开关设备单元的下游位置。该转换通常被称为“电缆切换”。负荷承载结构可以是例如被固定在海床中的三脚架或桩基。如果风力机是在近海，那么电力电缆组件通常是以在海床上或者在海床中的海底电缆或近海电缆的形式而铺设。为了避免将会由受损坏电力电缆所造成的费用，所述电力电缆通常还另外地被铺设在另一个保护管中。

电力电缆组件的能量导体被加热（尤其当它们输送高电压电流时），因此通常期望使所产生的热散发。如果电力电缆是以海底电缆的形式铺设，那么铺设在水面下的部分相对有效地被冷却。风力机的电力电缆组件通常被铺设成使得电力电缆离开塔架的下端并且被引导入海洋中。塔架通常被安装在一个支架上（例如在三脚架上），因此塔架的下端位于在海平面上方的数米处。因此，防止暴露于波浪运动的塔架受到冲击。因此，电力电缆暴露于空气中的部分仅以不充分的程度被冷却，尤其是当风力机正在以全部功率或者差不多全部功率运转时。如上所述，在电流负荷增加的情况下电力电缆的温度升高，因而当温度升高时电力电缆的导电性下降。因此，为了能够输送充分的电流（甚至在高负荷的情况下），电力电缆必须具有适当地大的直径。然而，在能量导体中可能会出现不利的“热点”，从而影响电力的输送。为了避免在风力机的电力电缆中的这种“热点”，必须限制风力机的功率，这相应地对风电场的输出造成负面影响。为了能够在合适的时间采取措施，在已知步骤的情况下，利用光纤传感器监测电缆温度。尤其在具有多个风力机的风电场的情况下，这种温度监测会是非常复杂且费用大的。

因此，本发明的目的是提供改进的且具有成本效益的电力电缆冷却。

所述目的是通过根据本专利的权利要求1的冷却装置、根据本专利的权利要求9的电缆组件、根据本专利的权利要求10的风电场、和根据本专利的权利要求14的用于提供冷却装置的方法而实现。

用于使电缆（尤其是电力电缆）冷却的根据本发明的冷却装置包括：外管，该外管构造成容纳电缆组件使得用于容纳冷却水层的间隙保持在外管与电缆组件之间；用于在外管与电缆组件之间建立水密连接的连接元件；和用于调节冷却水层中的水压的压力调节器。

根据本发明的冷却装置的一个优点在于可以始终有利地使电缆组件中的被加热电缆冷却，因为水具有导热性能。根据本发明的冷却装置的另一个优点在于水层是由连接元件所保持。也有利的是可以利用压力调节器改变水压，以便例如利用冷却水来替换任何会出现的空气穴。另外，如将在下文中详细地说明，对水压的评估能够容易地提供关于冷却装置的密封、电缆温度等的重要信息。

间隙优选地是至少形成于电缆组件的一侧上，但优选地形成于整个周围，因此冷却水层可以有效地形成在电缆组件周围的水的包层。这确保电缆组件被来自所有侧部的冷却水所包围。

根据本发明的冷却装置包括电缆组件（尤其是电力电缆组件）和根据本发明的冷却装置。

根据本发明的风电场包括用于传输来自风力机的电力的若干电缆组件以及用于使电缆组件冷却的若干根据本发明的冷却装置。

根据本发明的风电场的一个优点在于可以始终有利地使电缆组件中的被加热电力电缆冷却。因此，能够避免由于一个或多个能量导体的不利的过热所导致的对一个或多个风力机的功率的任何限制。

提供用于电缆组件的冷却装置的根据本发明的方法包括如本专利的权利要求14中所述的以下步骤：

1）将电缆组件容纳于外管中，使得用于容纳冷却水层的间隙保持在外管与电缆组件之间；

2）在电缆组件与外管之间建立水密连接；

3）用水层充满该间隙；和

4）调节水层中的水压。

根据本发明的方法的一个优点在于可以以具有成本效益且简单的方式实现有效的冷却。所使用的外管可以是简单的、可容易获得的管。尤其在用于海底电缆的冷却装置的情况下，可以使用已存在的保护管。另一个优点在于可以直接将水用作冷却手段，因此可以在不损害环境的情况下实施冷却。

从属权利要求和后面的描述包括本发明的特别有利的改进方案和构造，其中尤其是一种类型的权利要求也可以以类似于从属权利要求的方式基于另一类型的权利要求加以改进从而形成。

如在导言中所述，电缆组件可包括多个能量导体。电缆组件也可以包括多条数据链路，尤其是由铜或者玻璃纤维或塑料纤维制成。在下文中术语“电缆组件”应被理解成主要表示电力电缆组件，当然该电缆组件也可以引导任意期望数量的数据链路。根据本发明的冷却装置主要是用于使能量导体冷却，因为该能量导体通常输送高电压电流并且在运行期间会被加热。在根据本发明的冷却装置的情况下，外管未必是最外面的管，并且也可以使用其它的套管或保护套。

在下文中假设，根据本发明的风电场包括至少一个近海风力机。也假设，电缆组件从近海风力机塔架上的“电缆切换”经过空气空间延伸进入海洋中。如在导言中所述，电缆组件通常是在位于下塔架区中或者位于负荷承载结构的上区中的开关设备单元的区域中离开风力机。电缆组件通常具有两个端点，即，电缆组件在两个端点之间延伸。电缆组件的被冷却的部分是通过一个或多个连接元件的放置而限定。如果在电缆组件的两端的每个端部、或者在两个端点处安装连接元件，则可以在这两个连接元件之间使电缆冷却。在下文中假设，冷却装置在电缆组件的两个端点之间延伸。例如，可以将电缆组件铺设在两个风力机之间，因此根据本发明的冷却装置也在两个风力机之间延伸。然而，当然冷却装置也可以起始于该端点，但终止于另一类型的端点，例如在近海或岸上变电站。

尤其优选地将连接元件布置在电缆组件的一个端点的区域中，即在其中电缆组件起始的区域中。可将该端点布置在与“电缆切换”间隔一定距离处，例如3米至10米。因为冷却水的包层应当优选地包围易于产生热的区域，所以可以相应地放置连接元件。在另一个优选实施例中，可将电缆组件的一个端点布置在风力机上。例如，电缆组件可以起始于风力机塔架的下区。在这种情况下，可将连接元件安装在电缆组件上，使得连接元件有利地是在塔架的附近。因此可以有效地使另外暴露于空气中的大部分的电缆冷却，由此排除在此区域中“热点”的出现。实现有利的冷却的方法在于将连接元件布置在水位或海平面的上方、以及电力电缆被布置在水位上方的部分始终被冷却水所包围。该布置的另一个优点在于，基于最佳冷却，电力电缆的直径可以小于常规装置（其中电缆暴露于空气因此会被冷却至不充分的程度）的直径。

如在导言中所述，连接元件（在下文中也被称为“连接器”）是用于在外管与电缆之间建立水密连接。这种水密连接可以通过适当的螺纹连接或胶接而实现。为了补偿电缆组件与外管之间的尺寸差异，可以通过形成锥形直到电缆的外直径而减小外管的内直径。然后可以将这些相互拧紧或者相互胶接。作为替代，可以利用适当的过渡连接件对在电缆组件的外表面与外管的内表面之间的空间或距离实施桥连。此过渡连接件可以以任何期望的适当方式连接到电缆组件和外管。然而，在本发明的一个特别优选的变型中，连接元件适合于外管和/或电缆的不同直径。例如，在连接元件一端的内直径可以相当于外管的外直径。在连接元件另一端的内直径可以相当于电缆的外直径。在一个可行的变型中，可以以漏斗状元件的形式而制造连接元件。作为替代，连接元件可采用阶梯状的形式。

在本发明的一个特别优选的变型中，连接元件包括用于在电缆与外管之间建立焊缝连接的焊缝连接装置。该焊缝连接装置可例如采用电融合装置的形式。为此目的，至少一个加热元件以环状的形式被入连接器中并且具备通到外部的导体，因此能够将适当的电压施加给加热元件。如果电缆的外管和外套管是由HDPE构成，那么这两者的快速且全环状融合可以以这种方式进行。这种连接已被证明是可靠的且尺寸稳定的，并且可以在短时间段内实施。如上所述，连接元件可采用阶梯状的形式，以便将电缆与外管之间的尺寸差异桥连。在本发明的一个特别优选的变型中，焊缝连接包括被布置在连接元件与外管之间的第一焊缝、和被布置在连接元件与电缆组件之间的第二焊缝。

可以在安装连接元件之前将冷却水导入。例如，当正在铺设电缆时，可以用海水充满间隙。一旦已在电缆的一个端点或两个端点处安装了连接元件，则可以用随后所导入的液体从所形成的空腔中将空气替换出。因此，在本发明的特别优选的变型中，冷却装置包括用于随后将液体导入间隙中的一个入口。例如，连接元件可具有至少一个这种入口。

所使用的冷却水可以是水或者海水。然而，在本发明的一个特别优选的变型中，将盐水导入。例如，可以将具有大约26%的盐含量的饱和盐溶液导入。这种用作冷却水的饱和盐溶液给电缆提供有利地高水平的静态浮力，因此电缆不会支撑在外管的底板上。相反，电缆漂浮在间隙中。这确保电缆完全地被冷却水所包围，并且可以实现最佳冷却。在盐水中的漂浮布置具有有效地减少磨损的其它优点。

在本发明的一个优选变型中，压力调节器可以连接到入口。在将冷却水导入在电缆与外管之间的空间中之后，通过可以实施水压的调整。例如，可以泵送水直到达到满意的水压。这是实现其中将所有空气穴从间隙中驱动或推动出的状况的高度可靠的方法。

如在导言中所述，如果能量导体应输送强电流，那么能量导体的温度（因此以及电缆组件中的环境温度）会大幅的升高。在根据本发明的冷却装置的情况下，电力电缆被水的包层所包围。如果水温升高，这导致压力的增加。在本发明的一个特别优选的变型中，冷却装置包括用于监测冷却水包层中的水压的压力监测单元。例如，在一个优选的示例性实施例中，压力监测单元可以采用膨胀箱的形式。这种膨胀箱可以安装在任何期望的位置。然而，优选的是该膨胀箱连接到连接元件的入口。如果将压力监测单元安装在一些其它位置，那么入口优选地包括阀或一些其它的可行的盖子，因此一旦已将冷却水导入并调整了水压，则可以以大体上水密的方式将冷却装置封闭。

水压的变化（无论水压上升或者下降）可以以任何期望的方式而确定。例如，膨胀箱可以具有透明的表面，以便可以执行水压的视觉监测。然而，优选的是压力监测单元包括压力指示计，该压力指示计可以以适当的方式传递关于水压的信息。如果压力监测单元位于例如近海风力机上，自动压力指示计可以将信息传送至风电场的控制单元。可以例如通过无线连接而进行通信。在本发明的一个特别优选的变型中，风电场包括用于根据在冷却装置的水包层中所监测的压力来控制风力机的控制装置。例如，若干风力机的多个电缆组件各自配备有根据本发明的冷却装置。这些冷却装置中的每个冷却装置、或者仅若干个这些冷却装置可配备有压力监测单元。可以在控制装置中对来自压力监测单元的信息进行评估。由于虽然有高水平的功率但信息指示中等水压，因而可以假设水冷却的无故障运行。然而，如果信息表明由于的能量导体的非常明显加热所造成的水压增加，那么控制装置可以相应地调整风力机的功率。如果信息表明压力下降，那么控制装置可以得出结论在冷却水装置中存在泄漏。例如，外管会由于外部的影响而损坏。可以对来自压力监测单元的信息进行评估，以便快速地检测该损坏。

可以将外管（连同电缆组件）铺设在海床上并且/或者可以部分地或完全地埋在海床中。基于在其上面进行铺设的路线的性质，外管可采用均匀的路径，但也可设置在上升和下降处。如果该路径是不均匀的，在外管中会出现空气穴。由于这个原因，在根据本发明的方法的情况下，可以优选地在步骤1之前实施另一个步骤从而将空气穴从外管中冲洗出。为此目的，一旦已使间隙成为水密，则可以将水导入间隙中，并且在一端（例如，在连接元件的区域中）使所述水承受压力，以便将可存在的任何空气穴驱赶出来。

当正在铺设外管时，污物或其它外来杂质也可以进入外管。由此此原因，在根据本发明的方法的情况下，可以优选地在步骤1之前引导清管器经过外管从而对外管进行清洗。可以以通常的方式将清管器在外管的一端导入并且再次在另一端将其取出。本领域技术人员将熟悉清管的相应细节。

附图说明

在下文中将再次参照附图并通过示例性实施例来更详细地说明本发明。各种附图提供具有相同附图标记的类似部件。这些附图通常不是按比例绘制。在这些附图中：

图1示出了根据本发明的冷却装置的一个示例性实施例；

图2示出了图1的冷却装置的一部分的透视图；

图3示出了经过图1的冷却装置的一个端区的截面；

图4示出了处于第一状态中的根据本发明的冷却装置的另一个示意性实施例；

图5示出了处于第二状态中的图3的冷却装置；

图6示出了处于第三状态中的图3的冷却装置；

图7示出了根据现有技术的电缆。

具体实施方式

图1示出了包括外管10的根据本发明的冷却装置1的一个示例性实施例，该外管10被布置在电缆2的周围。电缆2可具有任意期望的长度，并且可以在其两个端点20之间的若干千米中延伸。该电缆2具体地用作能量源并且引导若干用于输送高电压电流（例如以33kV或66kV的电压）的能量导体。当然，电缆2也可以包括任何期望数量的数据载体。利用两个连接元件13将冷却水的包层12保持在外管10与电缆2之间。连接元件13形成外管10与电缆2之间的水密连接。可以将冷却水或填充水经过入口133而导入。在附图的放大区中示出了漂浮于盐水12中的电缆2。例如，具有大约26%饱和度的盐水给电缆2提供充分的浮力从而使电缆2“漂浮”于冷却水12中并防止电缆2支撑在外管10的地板上。冷却水的包层12中的水压是由供给管线143和泵144进行调节，并且是由膨胀箱141和压力测量装置142进行监测。

图2示出了其中外管10位于电缆2周围的、图1的冷却装置1的一部分的透视图。在此实例中，电缆2包括（正如通常情况）多个能量导体21并且被由HDPE制成的塑料套管22所保护。外管10也是由塑料（例如HDPE）构成。连接元件13包括焊缝连接装置，该焊缝连接装置包括两个埋入的加热线圈136、137及电导线138、139。在具有电缆2的外管10和/或套管22的材料的连接元件13的材料的周围，将电压施加给导线138、139。在加热线圈136、137中的热形成导致期望的塑料的融合。图3中示出了焊缝连接131、132。这里也示出了所形成的空腔11，其中保持水的包层。也可以在电缆20的另一端，使具有外管10和电缆2的类似的连接元件13融合。当然，可以以任意期望的数量形成水密的末端。冷却装置1的外管10和连接元件13连同电缆2构成根据本发明的电缆组件3。

图4示出了根据本发明的冷却装置1的另一个示例性实施例。在此实例中，电缆2在近海风电场4的两个风力机40之间延伸。电缆2的一个端点20位于一个风力机40的塔架41上，因此一部分的电缆2在塔架41与海洋M之间延伸。将冷却装置1的连接元件（为了清楚起见，在附图至未图示）安装在此位置上，优选地尽可能地靠近塔架41。这意味着也可利用水有效地使此部分的电缆2冷却。对在冷却装置1的间隙中的水压进行监测。为此目的，压力测量单元142可以以有规律间隔并且/或者根据要求将测量值报告给控制装置42。该附图示出了处于第一状态中的冷却装置1。这里，膨胀箱141的水位是处于正常状态，或者水处在正常水位N，因此无需控制装置42，该控制装置42调节风力机40的功率以便开始限定或限制功率。

图5示出了处于第二状态中的冷却装置1。这里，膨胀箱中的水位已上升。该超过正常水位N上升随着水压的增加而密切地变化，并且表明冷却装置中的水压的增加。这相应地表明能量导体中不合需要的高温。如上所述，压力测量单元142可以将测量值报告给控制装置，该控制装置相应地调节风力机40的功率。

图6示出了处于第三状态中的冷却装置1。这里，膨胀箱中的水位以降低到明显的程度，并且低于正常水位N。如上所述，压力测量单元142可以将压力值报告给控制装置。这种压力下降可表明例如外管10中的泄漏5。利用该信息，风电场操作者可以快速地确定泄露的位置以便能够采取必要的措施。

图7示出了根据现有技术的电缆。这里，电缆2从风力机40的塔架41在朝向海洋的方向上延续。电缆2被铺设在外管70中，该外管71是用于保护电缆2。与根据本发明的冷却装置相反，这里有一部分的电缆2保持在暴露于空气L中的状态。如果风力机40正以全部的功率运行，则会出现“热点”H。该“热点”降低能量源的输送性能，因此必须限制风力机40的功率。

总之，应再一次指出的是上述结构是示例性实施例，以及在不背离由权利要求预先确定的本发明范围的前提下，本领域技术人员也可以在宽的限度内更改基本原理。尤其是，连接元件和压力监测单元可以以任何期望的方式而设置。为了完整性，也应当指出的是不定冠词“一个”或“一种”的使用不排除存在多于一个的该特征的可能性。