CN104716518A - 用于海底电缆端接的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于海底电缆端接的***和方法。提出了一种电连接器。该电连接器包括第一电缆端接室，其构造为接收第一动力电缆，该第一动力电缆包括至少一个第一导线，该第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖。而且，该电连接器包括第一非线性电阻层，该第一非线性电阻层构造为联接至第一导线的至少未由第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在第一电缆端接室中产生的直流电场。此外，该电连接器包括第一偏转器，该第一偏转器构造为联接至第一动力电缆并控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
Description
政府利益声明
本发明是通过政府支持在由能源部授予的DE-AC26-07NT42677下完成的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本公开的实施例大体涉及高压电缆端接，并且更具体地涉及用于高压动力电缆的水下端接的***和方法。
背景技术
典型地，在油和天然气井中，从海或陆基功率源向在海床上的电气构件供应功率。在一个实例中，电气构件可包括潜水过程控制设备、泵送设备、压缩设备、马达等。这些电气构件可用于控制来自油气井的气体和液体的抽取和注入。
通常，高压动力电缆用于从海或陆基功率源向这些电气构件供应功率。此外，高压动力电缆可使用海底连接器电气地连接至电气构件。此外，在大的海深度下，可要求多个高压动力电缆以向这些电气构件供应功率，因此需要经由海底连接器将这些高压动力电缆互相连接。
由于海底连接器用于水下电连接，故这些连接器可遭受恶劣环境，诸如变化的海水压力和海水侵入，这又可损坏连接器和/或电气构件。此外，收回连接器以用于修复需要高费用。
在常规***中，交流(AC)动力电缆和AC连接器用于向在海床上的电气构件供应AC功率。但是，当油探测和钻井活动延伸至更深的水深时，由于电缆的电容性负载，长距离上的功率传输引起对于AC动力电缆的更大难题。因此DC功率传输是用于海底电气构件的很有前途的解决方案。此外，现有的AC连接器不能用于连接用于DC功率传输的动力电缆，这是由于DC下的特别的场分布特性，其可引起AC连接器的故障。
发明内容
根据在本文中描述的一个实施例，提出了一种电连接器。该电连接器包括第一电缆端接室，其构造为接收第一动力电缆，该第一动力电缆包括至少一个第一导线，该第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖。此外，该电连接器包括第一非线性电阻层，该第一非线性电阻层构造为联接至第一导线的至少未由第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在第一电缆端接室中产生的直流电场。此外，该电连接器包括第一偏转器，该第一偏转器构造为联接至第一动力电缆并控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
根据本公开的另一方面，提出用于控制电连接器中的电场的方法。该方法包括通过第一电缆端接室接收第一动力电缆，该第一动力电缆包括至少一个第一导线，该第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖。此外，该方法包括通过将第一非线性电阻层联接至第一导线的至少未由第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，来控制在第一电缆端接室中产生的直流电场。此外，该方法包括通过将第一偏转器联接至第一动力电缆来控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案1：一种电连接器，包括：
第一电缆端接室，其构造为接收第一动力电缆，所述第一动力电缆包括至少一个第一导线，第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖；
第一非线性电阻层，其构造为联接至第一导线的至少未由第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在第一电缆端接室中产生的直流电场；和
第一偏转器，其构造为联接至第一动力电缆并控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案2：根据技术方案1的电连接器，其特征在于，还包括第一法拉第笼，第一法拉第笼构造为联接至第一导线并包括第一伸长导电臂，其中，第一伸长导电臂构造为控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案3：根据技术方案2的电连接器，其特征在于，还包括第一应力锥，第一应力锥布置在第一电缆端接室的一端处，并且构造为端接第一动力电缆的第一绝缘屏蔽层。
技术方案4：根据技术方案3的电连接器，其特征在于，第一偏转器布置在第一应力锥内，并且构造为联接至第一绝缘屏蔽层的一端。
技术方案5：根据技术方案2的电连接器，其特征在于，第一非线性电阻层包括联接至第一绝缘屏蔽层的一端的第一端和联接至第一法拉第笼的第二端。
技术方案6：根据技术方案1的电连接器，其特征在于，还包括：
第二电缆端接室，其构造为接收第二动力电缆，第二动力电缆包括至少一个第二导线，第二导线由第二绝缘层和第二绝缘屏蔽层至少部分地覆盖；
第二非线性电阻层，其构造为联接至第二导线的至少未由第二绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在第二电缆端接室中产生的直流电场；和
第二偏转器，其构造为联接至第二动力电缆并控制在第二电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案7：根据技术方案6的电连接器，其特征在于，还包括第二法拉第笼，第二法拉第笼构造为联接至第二导线并且包括第二伸长导电臂，其中，第二伸长导电臂构造为控制在第二电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案8：根据技术方案7的电连接器，其特征在于，还包括第二应力锥，第二应力锥布置在第二电缆端接室的一端处，并且构造为端接第二动力电缆的第二绝缘屏蔽层。
技术方案9：根据技术方案8的电连接器，其特征在于，第二偏转器布置在第二应力锥内，并且构造为联接至第二绝缘屏蔽层的一端。
技术方案10：根据技术方案7的电连接器，其特征在于，第二非线性电阻层包括联接至第二绝缘屏蔽层的一端的第一端和联接至第二法拉第笼的第二端。
技术方案11：根据技术方案6的电连接器，其特征在于，还包括湿配合室，湿配合室布置在第一电缆端接室与第二电缆端接室之间，并且构造为将第一动力电缆电气地联接至第二动力电缆。
技术方案12：根据技术方案11的电连接器，其特征在于，湿配合室包括：
第一导电销，其联接至第一法拉第笼；
第二导电销，其联接至第二法拉第笼；和
活塞子单元，其构造为将第一导电销联接至第二导电销。
技术方案13：根据技术方案12的电连接器，其特征在于，湿配合室还包括应力分级层，应力分级层布置在活塞子单元与第一导电销的界面处，并且构造为控制在湿配合室中产生的直流电场。
技术方案14：根据技术方案13的电连接器，其特征在于，应力分级层布置在活塞子单元与第二导电销的界面处，并且构造为控制在湿配合室中产生的直流电场。
技术方案15：根据技术方案12的电连接器，其特征在于，应力分级层、第一非线性电阻层和第二非线性电阻层中的各个包括主材料和一种或更多种填料材料。
技术方案16：根据技术方案15的电连接器，其特征在于，主材料包括环氧树脂和硅酮橡胶，并且一种或更多种填料包括碳、氧化锌、碳化硅、钛酸钡、锆钛酸铅、或它们的组合。
技术方案17：一种用于控制电连接器中的电场的方法，包括：
通过第一电缆端接室接收第一动力电缆，第一动力电缆包括至少一个第一导线，第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖。
通过将第一非线性电阻层联接至第一导线的至少未由第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，来控制在第一电缆端接室中产生的直流电场；和
通过将第一偏转器联接至第一动力电缆来控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案18：根据技术方案17的方法，其特征在于，还包括通过将第一法拉第笼联接至第一导线来控制在第一电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案19：根据技术方案17的方法，其特征在于，还包括：
通过第二电缆端接室接收第二动力电缆，第二动力电缆包括至少一个第二导线，第二导线由第二绝缘层和第二绝缘屏蔽层至少部分地覆盖；
通过将第二非线性电阻层联接至第二导线的至少未由第二绝缘屏蔽层覆盖的部分，来控制在第二电缆端接室中产生的直流电场；
通过将第二偏转器联接至第二动力电缆来控制在第二电缆端接室中产生的交流电场。
技术方案20：根据技术方案17的方法，其特征在于，还包括通过将应力分级层布置在活塞子单元与第一导电销和第二导电销中的一个之间的界面处，来控制在湿配合室中产生的直流电场。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中遍及附图，相同的字符代表相同的部分，其中：
图1是根据本公开的方面的电连接器的剖面侧视图；
图2是根据本公开的方面的图1的电连接器的部分的图示；
图3是根据本公开的方面的图1的电连接器的部分的框图表示；
图4是根据本公开的方面的嵌入应力锥中的偏转器的一个实施例的图示；
图5是根据本公开的方面的嵌入应力锥中的偏转器的另一实施例的图示；
图6是根据本公开的方面的偏转器的图示；
图7是根据本公开的方面的包括伸长导电臂的法拉第笼的部分的图示；
图8是根据本公开的方面示出用于控制图1的电连接器中的电场的方法的流程图。
具体实施方式
如将在下文详细所描述，显示了用于提供用于DC动力电缆的海底电连接的示范***和方法的各种实施例。通过采用在下文描述的方法和***的各种实施例，可使在动力电缆的端接处产生的直流(DC)电场和/或交流(AC)电场显著最小化，这又降低在用于电连接的构件中引起的应力。
现转至附图并参照图1，绘出了根据本公开的方面的电连接器100的剖面侧视图。电连接器100可用于水下应用以将电气构件联接至一个或更多个功率源。具体地，在油气井应用中，电连接器100可用作用于将动力电缆互相连接的联接装置。此外，在一个实施例中，电连接器100可用于将动力电缆联接至布置在海床上的一个或更多个电气构件。电气构件可包括潜水过程控制控制设备、泵送设备、压缩设备、和马达，它们用于控制来自油气井的气体和液体的抽取和注入。
此外，电连接器100可构造为耐受周围的水压。电连接器100还可构造为阻止海水渗透到动力电缆和/或电气构件中。具体地，电连接器100的机械结构可构造为限制水进入。在一个实例中，金属密封件或垫圈可用在电连接器100中，以重要电气构件将与海水隔离。此外，电连接器100可包括金属壁，其构造为耐受海水的压力。可注意到的是，电连接器100可不限于油气井应用，并且可用在其他水下应用，诸如潜艇和远程操作车辆(ROV)中。
在当前构想的构造中，电连接器100可包括第一压力控制室102、第二压力控制室104、第一电缆端接室106、第二电缆端接室108、和湿配合室110。第一和第二压力控制室102、104可代表电连接器100的最外室。在一个实施例中，第一压力控制室102可定位在电连接器100的第一端112处，而第二压力控制室104可定位在电连接器100的第二端114处。
此外，这些压力控制室102、104可用作海水与电缆端接室106、108之间的屏障。此外，可将压力控制室102、104联接至一个或更多个压力补偿装置(未显示)，以耐受海底水的变化压力。
此外，第一电缆端接室106可布置成与第一压力控制室102相邻，而第二电缆端接室108可布置成与第二压力控制室104相邻。此外，第一和第二电缆端接室106、108可通过湿配合室110联接。如图1所绘出，在一个实施例中，湿配合室110可居中地定位在电连接器100中。此外，在一个实施例中，在连接动力电缆之前，电连接器100可包括两个分开的半部116、118，它们连结或联接在一起以形成电连接器100。电连接器100的第一半部116可包括第一压力控制室102、第一电缆端接室106、和湿配合室110的大约一半。相似地，电连接器100的第二半部118可包括第二压力控制室104、第二电缆端接室108、和湿配合室110的另一半。如图1所绘出，在将动力电缆连接至电连接器100的两个半部之后，湿配合室110的两个半部可连结在一起以形成完整的封闭湿配合室110。此外，湿配合室110可包括活塞子单元120。此外，活塞子单元120可包括嵌入的金属适配器或可伸缩销122，其能够移动以在电连接器100的两个半部116、118之间建立电连接。
此外，这些室102、104、106、108、110可用介电流体138填充。此外，这些室102、104、106、108、110可包括一个或更多个波纹管(未显示)，其有助于根据海水的压力调整介电流体138的压力。介电流体138可包括用作电绝缘体且不支持电流流动的任何流体。在一个实施例中，介电流体138可包括油。
如图1所绘出，第一压力控制室102可包括内部圆柱形腔124，其沿着中心轴线126轴向地延伸穿过第一压力控制室102。内部圆柱形腔124可构造为接收用于DC功率传输的第一动力电缆128。在一个实施例中，第一动力电缆128可用于传输高压直流(HVDC)功率。此外，在一个实例中，HVDC功率可在从大约1MW至大约10MW的范围中。
在一个实施例中，第一动力电缆128可包括布置在彼此上的多个同心层。更具体地，从中心朝向第一动力电缆128的外表面移动，第一动力电缆128可包括导线186、导电屏蔽层188、绝缘层190、绝缘屏蔽层192、和外层194。在一个实例中，导电屏蔽层188可包括半导电聚合体，并且绝缘层190可包括交联聚乙烯(XLPE)。此外，绝缘屏蔽层192可包括半导电XLPE，且外层194可包括溶胀带(swelling tape)和金属护套。可注意到的是，动力电缆128可包括其他层，并且不限于图1所示的数量。
此外，第一动力电缆128可布置在第一压力控制室102的内部圆柱形腔124中。此外，如图1所绘出，第一动力电缆128可端接在第一电缆端接室106中。可注意到的是，第一动力电缆128可代表配置在水下以从功率源向布置在海床上的电气构件供应功率的动力电缆中的一个。
相似地，第二压力控制室104可包括内部圆柱形腔132，其沿着中心轴线126轴向地延伸穿过第二压力控制室104。内部圆柱形腔132可用于接收第二动力电缆134。在一个实施例中，第二动力电缆134可代表可联接至海床上的电气构件的动力电缆中的一个。在另一实施例中，第二动力电缆134可代表互相连接以在海底的水中形成长电缆的多个动力电缆中的一个。此外，第二动力电缆134可布置在第二压力控制室104的内部圆柱形腔132中。此外，如图1所绘出，第二动力电缆134可端接在第二电缆端接室108中。
第二动力电缆134还可包括布置在彼此上的多个同心层。更具体地，从中心朝向第二动力电缆134的外表面移动，第二动力电缆134可包括导线196、导电屏蔽层198、绝缘层200、绝缘屏蔽层202、和外层204。在一个实例中，导电屏蔽层198可包括半导电聚合体，且绝缘层200可包括交联聚乙烯(XLPE)。此外，绝缘屏蔽层202可包括半导电XLPE，且外层204可包括溶胀带和金属护套。
此外，第一电缆端接室106可包括用介电流体138填充的钢室136。此外，可将钢室136密封以阻止高海水压力下的海水进入。此外，钢室136可包括第一应力锥140和第一法拉第笼142。具体地，第一应力锥140可布置在第一电缆端接室106的一端144处。第一应力锥140可包括孔口，该孔口与第一压力控制室102的内部圆柱形腔124对准，以从第一压力控制室102接收第一动力电缆128。此外，第一应力锥140可构造为端接第一动力电缆128的绝缘屏蔽层192。在一个实例中，第一应力锥140可包括绝缘橡胶单元(图1中未示出)，其阻塞/端接第一动力电缆128的绝缘屏蔽层192。此外，其他层，诸如导线186、导电屏蔽层188、和绝缘层190可进一步延伸超出第一应力锥140。具体地，导线186和导电屏蔽层188可进一步延伸并且联接至第一法拉第笼142，同时可将绝缘层190的端部布置在第一法拉第笼142内。如图1所绘出，第一法拉第笼142可为金属单元，其联接至湿配合室110的活塞子单元120。将参照图2更详细地说明第一应力锥140和第一法拉第笼142。
相似地，第二电缆端接室108可包括用介电流体138填充的钢室146。此外，可将钢室146密封来阻止高海水压力下的海水进入。此外，钢室146可包括第二应力锥148和第二法拉第笼150。具体地，可将第二应力锥148布置在第二电缆端接室108的一端152处。第二应力锥148可包括孔口，该孔口与第二压力控制室104的内部圆柱形腔132对准来从第二压力控制室104接收第二动力电缆134。而且，第二应力锥148构造为端接第二动力电缆134的绝缘屏蔽层192。在一个实例中，第二应力锥148可包括绝缘橡胶单元(未在图1中示出)，其阻塞/端接第二动力电缆134的绝缘屏蔽层202。此外，第二动力电缆134的其他层，诸如导线196、导电屏蔽层198、和绝缘层200可进一步延伸超出第二应力锥148。具体地，导线196和导电屏蔽层198可进一步延伸并且联接至第二法拉第笼150，同时可将绝缘层200的端部布置在第二法拉第笼150内。如图1所绘出，第二法拉第笼150可为金属单元，其联接至湿配合室110中的活塞子单元120。将参照图2更详细地说明第二应力锥148和第二法拉第笼150的结构。
此外，湿配合室110除活塞子单元120之外可包括第一导电销154、第二导电销156。可将第一导电销联接至第一法拉第笼142，同时可将第二导电销156联接至第二法拉第笼150。此外，活塞子单元120可构造为使第一导电销154与第二导电销156电气地联接或分离。
在当前构想的构造中，活塞子单元120可包括可伸缩销122，可伸缩销122可移动到ON或OFF位置。如图1所绘出，当可伸缩销122移动到ON位置时，可将第一导电销154电气地联接至第二导电销156。但是，如果可伸缩销122移动到OFF位置，则可使第一导电销154与第二导电销156电气地分离。而且，当可伸缩销122在OFF位置中时，可将活塞子单元120定位在介电流体138(诸如油)中，以提供对第一和第二导电销154、156的绝缘。此外，可使用介电流体138以阻止海水进入活塞子单元120。
典型地，采用常规电连接器来连接用于AC功率传输的动力电缆。但是，当油探测和钻井活动延伸至更大的水深和更长的距离时，由于电缆的电容性负载，长距离上的功率传输对于AC动力电缆变得愈加复杂。因此DC功率传输是用于海底电气构件的很有前途的解决方案。如果将AC连接器用于DC功率传输，那么与DC相关的特别的场分布特性可导致AC连接器的故障。更具体地，虽然DC电场分布可由材料的电阻系数决定，但是AC场分布可由与材料对应的介电常数决定。而且，在电连接器中，跨过不同的绝缘体，电阻系数可改变数个数量级。在一个实例中，油中的电阻系数可小于1012ohm-m，并且电缆绝缘体中的电阻系数可大于1015ohm-m。此外，电阻系数可随温度的变化而改变。另一方面，介电常数可具有随温度变化的最小改变。在一个实施例中，介电常数可典型地在2与4之间改变。因此，DC场分布的一致性和/或可预见性可能比AC场的一致性和/或可预见性低。此外，在瞬时情况下，场分布可包含电阻性分级的构件和电容性分级的构件两者。而且，空间电荷聚集可在DC电压下发生，这又导致进一步的场扭曲。这些因素可不仅导致DC场而且导致可在电压改变时存在的AC场的剧烈增强。DC和AC场的该增强可又在用于AC连接器中的构件上产生内应力。该应力可又损坏构件和/或联接至AC连接器的动力电缆。
为了克服上述缺点，在一个示范实施例中，可将电连接器100用于电气地联接DC动力电缆128、134。在一个实施例中，第一电缆端接室106可包括第一非线性电阻层158，该第一非线性电阻层158在第一电缆端接室106中沿着第一动力电缆128的未覆盖部分162布置。可将未覆盖部分162限定为动力电缆的仅包括导线、导电屏蔽层、和绝缘层的一部分。更具体地，第一非线性电阻层158可包括：第一端，其联接至第一动力电缆128的绝缘屏蔽层192的一端；和第二端，其联接至第一法拉第笼142。
相似地，电连接器100的第二电缆端接室108可包括第二非线性电阻层160，该第二非线性电阻层160沿着第二动力电缆134的未覆盖部分164布置。在此同样，第二非线性电阻层164可包括：第一端，其联接至第二动力电缆134的绝缘屏蔽层200的一端；和第二端，其联接至第二法拉第笼150。这些非线性电阻层158、160可构造成控制可在第一和第二电缆端接室106、108中产生的DC电场。更具体地，通过沿着第一和第二动力电缆128、134的未覆盖部分162、164布置非线性电阻层158、160，可跨过电连接器100均匀地分布DC电场。DC电场的该均匀分布可又阻止连接器100中，尤其是电缆端接室106、108中的DC电场的集中，从而使由集中DC电场导致的电连接器100中构件和/或电缆128、134上的应力最小化。
此外，在瞬变情况期间，动力电缆128、134中的DC电压可迅速地变化并且可引起跨过连接器100的AC电场。该AC电场还可在连接器100的构件上产生应力。为了控制该AC电场以及DC电场，非线性电阻层158、160可包括非线性半导电填料和/或介电填料。在一个实例中，半导电填料可包括炭黑、碳化硅和氧化锌。而且，介电填料可包括铁电填料(例如钛酸钡)和反铁电填料(例如锆钛酸铅锡酸盐)。当非线性电阻层158、160经历高电场时，这些非线性半导电填料可有助于降低层158、160的电阻系数。非线性电阻层158、160的电阻系数的该降低又有助于降低或均匀地分布跨过连接器100的DC电场。相似地，在经历高强度场时，介电填料有助于增加层158、160的介电常数。非线性电阻层158、160的介电常数的该增加又降低连接器100中的AC电场累积。
此外，第一非线性电阻层158和第二非线性电阻层160可选择为，使得这些层158、160中的各个的电阻系数分别比第一动力电缆128的绝缘层190和第二动力电缆134的绝缘层200的电阻系数小。非线性电阻层158、160的低电阻系数有助于均匀地分布跨过连接器100产生的DC电场。更具体地，非线性电阻层158、160的低电阻系数可有助于降低有害的电荷，该有害的电荷可由于DC电场而在电缆端接室106、108中累积。此外，连接器100的因动力电缆128、134中DC电压的快速变化而经历的应力也可显著降低。在一个实例中，DC电压可在从大约36kV至大约500kV的范围中。因此，可通过在第一和第二电缆端接室106、108中沿着动力电缆128、134的未覆盖部分162、164放置一个或更多个非线性电阻层158、160，来控制DC电场的集中和可由于该集中的DC电场而产生的应力。将参照图2更详细地说明非线性电阻层158、160的结构和组分。
此外，动力电缆128、134中的DC电压可迅速地变化并且可引起跨过连接器100的AC电场。该AC电场可跨过连接器100而集中，并且可损坏连接器100中的构件。示范电连接器100可构造为控制在第一和第二电缆端接室106、108中产生的该AC电场。具体地，电连接器100可包括一个或更多个偏转器166、168，其可构造为有助于使连接器100中的AC电场最小化。在一个实施例中，由于在动力电缆中的故障，在动力电缆中可发生开关脉冲和瞬变。这些开关脉冲和瞬变可引起或增大电连接器100中的电场。在示范电连接器100中，一个或更多个偏转器166、168可构造为使电连接器100中的电场最小化。此外，偏转器166、168可设计成具有预定几何形状，该几何形状有助于在电缆端接室106、108中产生的AC电场的电容性分级。在图1中绘出偏转器166、168的一个这种几何形状。将参照图2更详细地说明使用偏转器166、168降低AC电场的方面。
图2是图1的电连接器100的部分的图示200。电连接器200可包括第一偏转器166和第二偏转器168。第一偏转器166可布置在第一应力锥140内，并且可在第一电缆端接室106中联接至绝缘屏蔽层192的端部。电连接器100还可包括第二偏转器168，其布置在第二应力锥148内，并且可在第二电缆端接室108中联接至绝缘屏蔽层202的端部。这些第一和第二偏转器166、168可用于AC电场的电容性分级。AC电场的电容性分级又使电连接器200中的AC电场的集中最小化或降低。具体地，第一和第二偏转器166、168可设计成具有预定几何形状，该几何形状有助于降低电连接器200中的AC电场。由于电场垂直于导线186、196，故可通过控制第一和第二场偏转器166、168的几何形状来优化AC电场的方向和分布。将参照图4和5更详细地说明将偏转器166、168嵌入或布置在相应应力锥内的方面。
此外，可通过在电缆端接室106、108中使用法拉第笼142、150来降低AC电场，其中法拉第笼142、150可具有预定形状。具体地，如图2所绘出，第一和第二法拉第笼142、150可包括对应的伸长导电臂169、171，它们可有助于最小化或降低电连接器100中的AC电场的集中。更具体地，伸长导电臂169、171可用来优化在臂169、171和导线186、196之间产生的电场的方向和分布。通过优化AC电场的方向和分布，可显著降低电连接器200中的AC电场的集中。将参照图7更详细地说明第一和第二法拉第笼142、150中的伸长导电臂的结构和尺寸。
此外，第一和第二法拉第笼142、150可由环氧树脂173绝缘，该环氧树脂173布置在连接器100的钢室136、146中。在一个实施例中，环氧树脂173可包括一种或更多种填料，例如碳酸钙、石英、煅制氧化硅、滑石、高岭石和蒙脱石。此外，环氧树脂173中的填料浓度按重量计算可在从大约0％至大约80％的范围中。此外，环氧树脂173的结构可具有不同形式。在一个实施例中，可利用环氧树脂173完全地填充法拉第笼142的导电臂169、171下方的区域。而且，可利用环氧树脂173填充应力锥140、148和法拉第笼142、150之间的区域。在另一实施例中，应力锥140、148可延伸至法拉第笼142、150的对应的伸长导电臂169、171的端部。此外，可利用环氧树脂173填充应力锥140、148与对应的伸长导电臂169、171之间的部分。并且，可用环氧树脂173填充伸长导电臂169、171下方的区域。
在当前构想的构造中，可沿着动力电缆128、134的相应的绝缘层190、200的表面布置第一和第二非线性电阻层158、160。具体地，第一非线性电阻层158可沿着绝缘层190从第一应力锥140中的第一偏转器166延伸至第一电缆端接室106中的第一法拉第笼142。而且，第一非线性电阻层158可与第一偏转器166和第一法拉第笼142电气接触。相似地，第二非线性电阻层160可沿着绝缘层200从第二应力锥148中的第二偏转器166延伸至第二电缆端接室108中的第二法拉第笼150。而且，非线性电阻层160可与第二偏转器168和第二法拉第笼150电气接触。
此外，非线性电阻层158、160可由特殊的应力分级材料(SGM)制成。SGM可包括主材料和一种或更多种填料。主材料可为交联硅酮橡胶和/或具有低分子量的非交联硅树脂化合物。此外，该一种或更多种填料材料可包括颗粒、纤维和/或薄片，其可由碳、氧化锌、碳化硅、钛酸钡和锆钛酸铅制成。在一个实施例中，这些非线性电阻层158、160可具有在从大约0.01mm至大约20mm的范围中的厚度。而且，非线性电阻层158、160可为一种或更多种物理形式。在一些非限制实例中，该物理形式可包括：预模制管；可固化涂料，其应用在电缆128、134的表面上；不可固化油脂或化合物，其应用在电缆128、134的表面上；带，其围绕电缆128、134卷绕并且可使用压力和/或温度来加固这些带；和表面层，其模制到硅酮应力锥和/或环氧树脂绝缘体中。
现转至图3，绘出了图1的电连接器100的部分的框图表示300。具体而言，图3绘出图1的活塞子单元120。如图3所示出，活塞子单元120可包括导电部分170和非导电部分172。非导电部分172可包括环氧树脂材料，该环氧树脂材料可掺杂导电材料以降低沿着活塞子单元120的DC电场。
而且，在另一实施例中，电连接器300可包括布置在湿配合室110中的应力分级层174的一个或更多个节段。应力分级层174可有助于降低湿配合室110中的DC电场。可将应力分级层174的这些节段布置在活塞子单元120的与导电销154、156接合的表面上。具体地，如图3所绘出，可将应力分级层174的第一节段176沿着非导电部分172的如下表面布置，该表面面向活塞子单元120的第一导电销154。相似地，可将应力分级层174的第二节段178沿着非导电部分172的面向第二导电销156的表面布置。应力分级层174的这些节段176、178可有助于围绕活塞子单元120均匀地分布DC电场，并且因此降低连接器300中的DC电场的集中。
在一个实施例中，应力分级层174可包括主材料和一种或更多种填料材料。主材料可包括环氧树脂材料和/或交联硅酮橡胶。此外，该一种或更多种填料材料可包括颗粒、纤维和/或薄片，其可由碳、氧化锌、碳化硅、钛酸钡和锆钛酸铅制成。而且，湿配合室110中的应力分级层174可为一种或更多种物理形式。该物理形式的一些非限制实例包括：预模制管；可固化涂料，其应用在环氧树脂绝缘的表面上；带，其围绕环氧树脂绝缘卷绕并且可使用压力和/或温度加固这些带；表面层，其模制到环氧树脂绝缘中。而且，应力分级层174可具有比非线性电阻层158、160的传导率高的传导率。
因此，通过在电连接器100中采用一个或更多个电阻层158、160、一个或更多个应力分级层174、一个或更多个偏转器166、168、和带有伸长导电臂169、171的一个或更多个法拉第笼142、150，可在电连接器100中控制或充分降低DC电场和AC电场。
现参照图4，绘出根据本公开的一个实施例的嵌入应力锥402中的偏转器404的图示。应力锥402和偏转器404可代表图1的具有第一偏转器166的第一应力锥140或具有第二偏转器168的第二应力锥148。应力锥402可由绝缘橡胶制成。在一个实例中，绝缘橡胶可包括未填充的硅酮橡胶或用无机填料强化的硅酮橡胶。此外，可将偏转器404嵌入应力锥402内侧。在一个实施例中，如图4所绘出，场偏转器404可为导电橡胶的固体片的形式，其嵌入应力锥402的绝缘橡胶内侧。可通过用导电填料填充绝缘橡胶来形成导电橡胶。绝缘橡胶可包括硅酮，并且导电填料可包括碳和金属。在一个实例中，碳可包括炭黑、碳纤维、纳米碳管和/或石墨烯。在另一实例中，金属可包括为颗粒或纤维形式的银、镍和/或铜。此外，导电橡胶中的导电填料的尺寸可在从大约1nm至大约100μm的范围中。而且，导电橡胶的传导率可在从大约0.001S/m至大约10000S/m的范围中。
现转至图5，绘出根据本公开的另一实施例的嵌入应力锥502中的偏转器504的图示500。应力锥502和偏转器504可与图4的应力锥402和偏转器404相似，只不过，图4的偏转器404为导电橡胶的固体片的形式，而偏转器504为嵌入应力锥502的绝缘橡胶中的导电表面的形式。
图6是根据本公开的方面的偏转器的图示600。参考标号600可代表图1的偏转器166或偏转器168。为了容易理解，参照图1的构件描述偏转器600。偏转器600可用于降低电连接器100中的AC电场。偏转器600可包括线性部分602和弯曲部分604。可将相应的偏转器166、168的线性部分电气地联接至动力电缆128、134的对应绝缘屏蔽层192、202的端部。而且，线性部分602可具有在从大约0.01m至0.5m的范围中的宽度。而且，线性部分可与动力电缆128、134的表面形成角度θ。角度θ可在从大约0度至90度的范围中。此外，可相对于偏转器600的线性部分602邻近地布置弯曲部分604。应当注意到的是，如图6所绘出，偏转器600的线性部分602和弯曲部分604可为连续结构。弯曲部分604可具有曲率半径‘R’，其可在从大约0.005m至0.2m的范围中。而且，弯曲部分604可具有在从大约0.001m至大约0.2m的范围中的宽度。此外，弯曲部分604的端部可具有圆形形状，其具有可在从大约0.001m至大约0.05m的范围中的半径‘r’。偏转器600的这些直的和弯曲部分602、604可有助于优化平行于动力电缆的AC电场的方向和分布。这又降低电连接器100中的AC电场的集中。
现参照图7，绘出根据本公开的方面的图1的包括伸长导电臂的法拉第笼的部分的图示700。参考标号700可代表图1的第一法拉第笼142或第二法拉第笼150。法拉第笼700用来将相应的动力电缆128、134联接至活塞子单元120。而且，法拉第笼700包括伸长导电臂702，伸长导电臂702有助于优化电缆端接室106、108中的AC电场的方向和分布，这又降低了连接器100中的AC电场的集中。
法拉第笼700可由金属制成为带有伸长导电臂702。金属可为铜或铝。而且，伸长导电臂702可具有在从大约0.01m至大约0.5m的范围中的宽度‘a’704。而且，伸长导电臂702离联接至法拉第笼700的动力电缆的表面可处于角度θ处。在一个实例中，角度θ可在从大约45度至大约60度的范围中。而且，伸长导电臂702可具有距动力电缆的表面的高度‘h’706。而且，伸长导电臂702的高度706与宽度704之间的比率可在从大约0.01至大约2的范围中。此外，伸长导电臂的末梢可具有圆形形状，该圆形形状具有在从大约0.001m至大约0.05m的范围中的半径‘r’。
参照图8，绘出流程图，该流程图示出根据本公开的方面的用于控制电连接器(诸如图1的电连接器100)中的电场的方法800。为了容易理解，参照图1-7的构件描述方法800。方法800在步骤802处开始，在此第一动力电缆128可由第一电缆端接室106接收。第一动力电缆128可用于对海床上的电气构件传输HVDC功率。而且，第一动力电缆128可包括第一导线186，其至少由第一绝缘层190和第一绝缘屏蔽层192至少部分地覆盖。
随后，在步骤804处，可控制在第一电缆端接室106中产生的DC电场。在一个实施例中，可通过将第一非线性电阻层158联接至第一导线186的至少未由第一绝缘屏蔽层192覆盖的部分，来控制在第一电缆端接室106中产生的DC电场。第一导线186的未覆盖部分可限定为第一动力电缆128的未由绝缘屏蔽层192和外层194覆盖的部分。具体地，第一非线性电阻层158可沿着第一导线186的未覆盖部分，从第一应力锥140中的第一偏转器166延伸至第一法拉第笼142。而且，第一非线性电阻层158可与第一偏转器166和第一法拉第笼142电气接触。第一非线性电阻层158设计成使得该层158的电阻系数小于绝缘屏蔽层192的电阻系数。非线性电阻层158的低电阻系数有助于沿着电连接器100均匀地分布产生的DC电场。DC电场的该均匀分布可又阻止连接器100中，尤其是电缆端接室106中的DC电场的集中，从而使电连接器100中在构件和/或电缆128上由集中的DC电场导致的应力最小化。
此外，如由步骤806所指出，可控制在第一电缆端接室106中产生的AC电场。在一个实施例中，可通过将第一偏转器166联接至第一动力电缆128来控制第一电缆端接室106中的AC电场。具体地，第一偏转器166可布置或嵌入在第一应力锥140内，并且可联接至绝缘屏蔽层192的一端。而且，可将第一偏转器166设计成具有预定的几何形状，该几何形状有助于优化AC电场的方向和分布。优化AC电场的方向和分布可又最小化或降低电连接器100中的AC电场的集中。在另一实施例中，可通过将第一法拉第笼142联接至第一导线186来控制在第一电缆端接室106中产生的AC电场。更具体地，第一法拉第笼142可包括伸长导电臂169，其用于优化在第一电缆端接室106中产生的AC电场的方向和分布。通过优化AC电场的方向和分布，可显著降低电连接器100中的AC电场的集中。
因此，通过在电连接器100中采用一个或更多个非线性电阻层、一个或更多个偏转器、和带有伸长导电臂的一个或更多个法拉第笼，可在电连接器100中控制或显著降低DC电场和AC电场。这又降低了电连接器100中的构件上的应力，并且防止电连接器100和/或动力电缆128、134的损坏。
***和方法的各种实施例有助于对海床上的电气构件提供HVDC功率传输。由于将连接器设计为带有一个或更多个非线性电阻层和偏转器，故可显著降低制造和/或保持这些连接器的成本。
虽然在本文中示出本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求意图覆盖落入本发明真正精神内的所有这种修改和变化。
Claims (10)
1. 一种电连接器，包括：
第一电缆端接室，其构造为接收第一动力电缆，所述第一动力电缆包括至少一个第一导线，所述第一导线由第一绝缘层和第一绝缘屏蔽层至少部分地覆盖；
第一非线性电阻层，其构造为联接至所述第一导线的至少未由所述第一绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在所述第一电缆端接室中产生的直流电场；和
第一偏转器，其构造为联接至所述第一动力电缆并控制在所述第一电缆端接室中产生的交流电场。
2. 根据权利要求1所述的电连接器，其特征在于，还包括第一法拉第笼，所述第一法拉第笼构造为联接至所述第一导线并包括第一伸长导电臂，其中，所述第一伸长导电臂构造为控制在所述第一电缆端接室中产生的交流电场。
3. 根据权利要求2所述的电连接器，其特征在于，还包括第一应力锥，所述第一应力锥布置在所述第一电缆端接室的一端处，并且构造为端接所述第一动力电缆的第一绝缘屏蔽层。
4. 根据权利要求3所述的电连接器，其特征在于，所述第一偏转器布置在所述第一应力锥内，并且构造为联接至所述第一绝缘屏蔽层的一端。
5. 根据权利要求2所述的电连接器，其特征在于，所述第一非线性电阻层包括联接至所述第一绝缘屏蔽层的一端的第一端和联接至所述第一法拉第笼的第二端。
6. 根据权利要求1所述的电连接器，其特征在于，还包括：
第二电缆端接室，其构造为接收第二动力电缆，所述第二动力电缆包括至少一个第二导线，所述第二导线由第二绝缘层和第二绝缘屏蔽层至少部分地覆盖；
第二非线性电阻层，其构造为联接至所述第二导线的至少未由所述第二绝缘屏蔽层覆盖的部分，并且构造为控制在所述第二电缆端接室中产生的直流电场；和
第二偏转器，其构造为联接至所述第二动力电缆并控制在所述第二电缆端接室中产生的交流电场。
7. 根据权利要求6所述的电连接器，其特征在于，还包括第二法拉第笼，所述第二法拉第笼构造为联接至所述第二导线并且包括第二伸长导电臂，其中，所述第二伸长导电臂构造为控制在所述第二电缆端接室中产生的交流电场。
8. 根据权利要求7所述的电连接器，其特征在于，还包括第二应力锥，所述第二应力锥布置在所述第二电缆端接室的一端处，并且构造为端接所述第二动力电缆的第二绝缘屏蔽层。
9. 根据权利要求8所述的电连接器，其特征在于，所述第二偏转器布置在所述第二应力锥内，并且构造为联接至所述第二绝缘屏蔽层的一端。
10. 根据权利要求7所述的电连接器，其特征在于，所述第二非线性电阻层包括联接至所述第二绝缘屏蔽层的一端的第一端和联接至所述第二法拉第笼的第二端。
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