开关装置及具有该开关装置的功率传递和分配系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明有关一种开关装置和具有开关装置的功率传递和分配系统，尤其涉及工作在水下环境中的一种开关装置。
【背景技术】
[0002]随着油气田在浅水中的逐渐减少，人们开始使用油气开采装置在深水中进行开采。开采装置在海面下很深的地方工作。油气开采装置不仅工作在海面下很深的地方而且远离海岸。油气开采装置利用功率传递和分配系统来传递电能至深海中。海下的开关装置是功率传递和分配系统的一个重要元件。现有的海下开关装置完全安装于坚固的金属保护容器中，从而防止开关装置因海底水压力较大而损耗。随着海下深度的增加，海水压力变大，保护容器需要更加厚实和坚固来抵挡海水的高压力，然而如此保护容器更加笨重。
[0003]因此，有必要提供一种解决方案来解决至少一个上面提及的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的一个方面在于提供一种开关装置。该开关装置包括:开关主体，包括若干触头；开关机构，连接于所述开关主体，且用来驱动所述触头的动作；壳体，收容所述开关主体和所述开关机构，且所述壳体内用绝缘液体填满；及至少一个压力补偿器，其和所述壳体连通，且具有可变的体积来调节所述壳体内的压力使得壳体内的压力与所述壳体外部周围的压力平衡。
[0005]本发明的另一个方面在于提供一种功率传递和分配系统。功率传递和分配系统包括:主工作装置，用于水下环境中；开关装置，连接于所述主工作装置且暴露于水下环境中；及断路器，连接于所述开关装置，用来断开电路。所述开关装置包括:开关主体，包括若干触头；开关机构，连接于所述开关主体，且用来驱动所述触头的动作；壳体，收容所述开关主体和所述开关机构，且所述壳体内用绝缘液体填满；及至少一个压力补偿器，其和所述壳体连通，且具有可变的体积来调节所述壳体内的压力使得壳体内的压力与所述壳体外部周围的压力平衡。
【附图说明】
[0006]通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0007]图1所示为本发明功率传递和分配系统的一个实施例的示意图；
[0008]图2所示为本发明功率传递和分配系统的开关装置和功率变换系统的一个实施例的电路图；
[0009]图3所示为本发明功率传递和分配系统的开关装置和功率变换系统的另一个实施例的电路图；
[0010]图4所示为本发明开关装置的一个实施例的示意图；[0011 ] 图5所示为本发明开关装置的另一个实施例的示意图，其中开关装置处于断开状态；
[0012]图6所示为图5所示的开关装置处于闭合状态下的示意图。
【具体实施方式】
[0013]除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部” “后部” “下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。另外，“连接”或者“相连”等类似的词语并非用来区分两个元件之间的直接或间接连接。当然，除非另行说明，此元件间可以直接或间接连接。
[0014]图1所示为一个实施例的功率传递和分配系统10的示意图。在图示实施例中，功率传递和分配系统10包括主工作装置12、开关装置14、断路器16和电源18。功率传递和分配系统10用来变换和提供功率给操作装置20。操作装置20可工作在海下环境中，例如用于油气开采。
[0015]主工作装置用于水下环境中，例如海下环境中。本实施例中，主工作装置12包括功率变换系统22，功率变换系统22用来将来自电源18的功率变换成操作装置20所需的功率，提供给操作装置20。在一个实施例中，电源18，例如交流电机，提供高压交流电，功率变换系统22将高压交流电变换成高压直流电。在另一个实施例中，电源18提供高压直流电，功率变换系统22将高压直流电变换成高压交流电。例如，高压为至少5kV，电流为100A以上。在再一个实施例中，电源18提供一种交流电，功率变换系统22将该交流电变换成另一种交流电。在又一个实施例中，电源18提供一种直流电，功率变换系统22将该直流电变换成另一种直流电。功率变换系统22可以包括变流器或逆变器。在另一个实施例中，主工作装置12可包括一个或多个其他系统或元件(未图示)，例如整流器。
[0016]开关装置14连接于主工作装置12且暴露于水下环境中。在一个实施例中，开关装置14位于海底。在一个实施例中，开关装置14与功率变换系统22并联，开关装置14用来旁路功率变换系统22。在另一个实施例中，开关装置14与功率变换22系统串联，开关装置14用来隔离功率变换系统22。在另一个实施例中，多个开关装置14被使用，分别旁路或隔离主工作装置12。在另一个实施例中，多个功率变换系统22。即使一个出现故障的功率变换系统22被旁路或隔离，其他功率变换系统22仍可以工作来变换功率。开关装置14可用来在主工作装置12出现故障(例如断路故障)时提供保护。在一个实施例中，开关装置14为直流开关装置，其具有至少5kV的工作电压。开关装置14工作在高压直流系统中，电源18提供至少5kV的电压。
[0017]断路器16连接于开关装置14，用来断开电路。在一个实施例中，断路器16连接于功率变换系统22。在一个实施例中，当主工作装置12出现故障时，开关装置14旁路主工作装置12，且连接于开关装置14的断路器16可断开电路来切断电源18的功率传递至功率变换系统22和开关装置14，如此来保护系统10。在一个实施例中，断路器16集成于电源18中。在本实施例中，断路器15和电源18位于海面上。在一些实施例中，电源18、断路器16、功率变换装置22、开关装置14和/或操作装置20由控制器(未图示)控制。
[0018]开关装置14也可以用于其他应用中，不限于图1所示的实施例。开关装置14可工作在海底高压力的环境下，例如，3千米的海底且大约300巴(bar)的水压的环境下。
[0019]图2所示为一个实施例的开关装置14和功率变换系统22的电路图。开关装置14包括开关SI，其并联于功率变换系统22，且串联于电源18和断路器16。在功率变换系统22正常工作时，开关SI断开。当功率变换系统22出现故障(例如断路)时，开关SI闭合来旁路功率变换系统22，从而保证连续的点到点功率传递。开关SI可以是机械的直流开关。在另一个实施例中，开关SI可以是交流开关。在另一个实施例中，开关SI可以是电开关。
[0020]在图示实施例中，功率变换系统22包括逆变器26、固态开关S2、电感L1-L4和电容Cl。逆变器26和电容Cl并联，且电容Cl作为总线过滤器(Bus Filter)。电感L1-L4作为线寄生电感。固态开关S2并联于电容Cl。逆变器26正常工作时，固态开关S2断开。当逆变器26发生故障时，固态开关S2闭合来旁路逆变器26。固态开关S2的开断速度比开关SI的开断速度快，然而固态开关S2上的功率损耗比开关SI上的功率损耗大。当逆变器26发生故障时，固态开关S2瞬间闭合，接着开关SI闭合，然后断开固态开关S2。
[0021]图3所示为另一个实施例的开关装置14和功率变换系统22的电路图。在本实施例中，三个开关装置14被使用，分别包括开关S1、S3、S4。开关SI类似于图2中的开关SI，用来旁路功率变换系统22。图3中的功率变换系统22类似于图2中的功率变换系统22。开关S3和S4串联于开关SI，用来隔离功率变换系统22。功率变换系统22正常工作时，开关S3和S4闭合。当功率变换系统22发生故障时，开关S3和S4断开，来避免系统10的其他部分因该故障而受到影响。在一个实施例中，开关S3和S4可具有类似于开关SI的结构。图2和图3中的功率变换系统22的电路可以根据实际应用变化。
[0022]图4所示为一个实施例的开关装置14的示意图。开关装置14包括开关主体30、开关机构32、壳体34和至少一个压力补偿器36。开关主体30具有断开状态和闭合状态。开关主体30包括若干触头，例如图5和图6所示的动触头48和静触头46。在一个实施例中，开关主体30可工作在高电压下，例如5kV以上。开关机构32连接于开关主体30，且用来驱动触头的动作。开关机构32可驱动触头在断开位置和闭合位置之间运动来使得开关主体30断开或闭合。开关机构32可以通过蜗杆、磁场或其他方式驱动触头。
[0023]壳体34收容开关主体30和开关机构32，且壳体34内用绝缘液体38填满。壳体34可以由金属材料，例如合金钢、钛合金等，制成。在一个实施例中，壳体34包括圆柱形或球形的外轮廓，如此避免壳体34的某一点压强太大。在另一个实施例中，壳体34的外轮廓可以是其他平滑过渡的曲面