同轴下井式高压直流电源制造技术

本实用新型专利技术公开了一种同轴下井式高压直流电源，主要解决现有电源功率小，耐受水压力低，工作环境温度低的问题。该电源包括主体部件及壳体结构，其主体部件中的变压器铁芯（４）、硅堆整流桥（６）、高压电极（９）及热膨胀腔（１）通过各绝缘支撑件（２）、（５）、（７）和（８）固连成一个整体，并在其密封在一个装有耐高温硅油介质（１６）的外筒体（１４）中。其壳体结构中的马笼头（１３）的壳体上设有三个烧结密封塞（１５），腔体中注有硅脂（１１）。该烧结密封塞的内、外测电极分别与中频升压变压器的初级引线和外接电缆连接，该外接电缆通过马笼头（１３）与外筒体（１４）连接。本实用新型专利技术可实现４ＫＷ功率、３０ＫＶ高压输出，保证在水下５０ＭＰａ压力和１５０℃温度下正常工作。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电子领域，特别是一种直流高压电源，用于石油油井中 为井下设备快速储存电能，提高油井增产量。
技术介绍
随着油田产业的发展，对石油钻采装置的性能提出了越来越高的要求， 井下实.用的直流高压电源和井下高比能储能电容器就是提高石油钻采技术 的关键部件之一。高压直流电源实现的功能是为井下需要高压电源的仪器、 设备供电，或者为井下高比能储能电容器充电。在井下实现水中放电的装置 中，为了提高冲击波峰值压力，必须提高放电的电流，而提高放电电流必须 要提高储能量和减小放电回路的电感。提高储能量需要更多的储能电容器和 更大功率的高压直流电源，陆地储能式电脉冲装置就是采用了在地面大量电 容器上储能，通过高压电缆将放电电流送到井下，导致设备庞大、复杂，更难以接受的是强大的放电电流导致95%的电能耗散在传导电缆中，导致电缆 的加速老化，极大地缩短了电缆的寿命。在采用了井下储能技术后，由于受 到绝缘技术的限制，采用了较大容量的电容器。而充电电压不能大幅提高。 当储能电容器的工作电压提高后，提高放电电流的唯一障碍就是要求有足够 功率的高压直流电源，也就是说，为储能电容器充电的高压直流电源不仅要 求提高电压，而且要求具有一定的功率，以实现装置在一定的重复频率下运 行，而目前的井下高压直流电源均存在工作电压低、功率小、耐受水压力低 和工作环境温度低的缺陷，影响储能效果。
技术实现思路
本技术的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种工作电压高和功率大的同轴下井式高压直流电源，以实现输出高压能够满足储能电容器工作 电压要求，输出功率能够保证整套设备每分钟3 6次的工作频率要求，耐 受水压力可达在50MPa的正常工作。为实现上述目的，本技术提供的高压直流电源，包括变压器、整流 电路和壳体结构，其特征在于，变压器采用中频升压变压器，整流电路采用 硅堆整流桥，壳体结构包括外筒体和马笼头，该中频升压变压器的铁芯和线 包、硅堆整流桥及高压电极通过绝缘支撑件固连成一个整体，密封在外筒体 中的耐高温硅油中。所述的中频升压变压器的铁芯采用长宽比为6倍的特异型矩形铁芯，初 级和次级线包绕制在同一铁芯柱上。该中频升压变压器的线包通过铁芯两端 的第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件支撑，硅堆整流桥通过第二绝缘支撑 件、第三绝缘支撑件和第四绝缘支撑件固连，高压电极安装在第四绝缘支撑 件上，该第一绝缘支撑件为台阶形结构，上面套有热膨胀腔。所述的外筒体腔壁采用经热处理能提高其强度达到抗静压50MPa以上 的高强度无缝钢管容器，热膨胀腔放置在单元容器的顶部。所述的马笼头的壳体上设有三个烧结密封塞，腔体中注有硅脂，该三个 烧结密封塞的内测电极与中频升压变压器的初级引线和接地线连接，外侧电 极与外接电缆芯线连接，外接电缆的外皮通过马笼头与外筒体连接。所述的热膨胀腔采用耐高温的氟橡胶，尺寸大于硅油在15(TC时由于热 膨胀所增加的体积。本技术的工作原理是地面电源经下井的外接电缆为中频升压变压 器初级提供频率为1000Hz的200V以上中频电压，该中频升压变压器经150 倍升压后输出给桥式整流电路，桥式整流电路的高压端输出为储能电容器充 电，桥式整流电路的低压端接到与储能电容器共地的外壳上。本技术与现有井下直流电源比，具有如下优点-1. 由于采用中频升压变压器，因而可以在相同的输出功率下，大大减小 变压器铁芯的体积，从而减小变压器的体积和提高输出功率，能够在直径 102mm和长度1200mm圆柱体内实现4kW的输出功率。2. 由于采用固体绝缘支撑件连接变压器与整流电路，并将其浸泡在硅油 中的固体和液体复合绝缘结构，极大地提高了绝缘性能，使电源的输出电压能提高到30kV。3. 由于采用高温绝缘材料和热膨胀腔结合结构，提高了电源的工作温度 到150°C。4. 由于采用烧结密封塞和硅脂双重密封结构，并采用高强度无缝钢管容 器制作外壳，保证了在50MPa静水压下的水密封性能。试验表明，本技术在水下50MPa压力和15(TC温度下正常工作，支 持工作电压30kV和容量1QaF的储能电容器实现每分钟3 6次的充放电频 率。附图说明图1是本技术的主体结构图； 图2是本技术的壳体结构图； 图3是本技术的电连接图。具体实施方式以下结合附图对本技术做进一步详细描述。参照图1和图3，本技术的主体部分包括中频升压变压器、整流 电路、热膨胀腔、四个绝缘支撑件和高压电极。其中变压器采用中频升压变压器23,其铁芯4的长宽比为6倍的特异型矩形铁芯，初级和次级线包绕制 在同一铁芯柱上，层间采用绝缘强度极高的NOMEX绝缘纸；变压器线包3 由初级线圈和次级线圈组成，初、次级线圈绕制在同一铁芯柱上，以提高磁 耦合效率和变压器功率；整流电路采用由四个高压硅堆组成的整流桥6，中 频升压变压器变压器的次级引线C、 D连接到四个高压硅堆的对应点上。该 中频升压变压器23与硅堆整流桥6通过绝缘支撑件固连，即第一绝缘支撑 件2和第二绝缘支撑件5卡住中频升压变压器铁芯4，以支撑变压器线包3， 第二绝缘支撑件5、第三绝缘支撑件7和第四绝缘支撑件8卡住硅堆整流桥 6的四个高压硅堆，高压电极9安装在第四绝缘支撑件8上，该第一绝缘支 撑件2为台阶形结构，上面套有热膨胀腔l，这些部件作为一个整体，密封 在外壳体14内并浸在液体绝缘介质耐高温硅油16中，通过固体与液体复合6绝缘结构，以提高在井下有限空间的绝缘强度。该外壳体14采用高强度无 缝钢管，在保证容积的条件下，能提高其强度达到抗静压50MPa以上。该 膨胀腔1的材料采用耐高温的氟橡胶制造，其尺寸大于15(TC时硅油由于热 膨胀增加的体积。参照图2和图3，本技术的壳体结构部分包括外筒体14、马笼头 13、高压绝缘子17、高压引出极18和高压封头19。该外筒体14中注有绝 缘硅油16。该马笼头壳体上设有三个烧结密封塞15，腔体中注有硅脂11, 并通过密封螺钉12密封，以保证在50MPa静水压下的水密封性能。该高压 引出极18固定在高压绝缘子17上，高压绝缘子17固定在高压封头19上， 高压封头19固定在外筒体14上。图1所示的高压直流电源主体从右侧置于 外筒体14中，高压电极9紧顶高压引出极18，第一绝缘支撑件2、第二绝 缘支撑件5、第三绝缘支撑件7和第四绝缘支撑件8紧卡在外筒体14的内壁。中频升压变压器23的初级引线20、 21和接地线22焊接在三个烧结密封塞 15的内测电极上，外接电缆芯线通过马笼头13左侧的端口引入，焊接在烧 结密封塞外侧电极上，并通过电缆固定螺钉10固定。该外筒体14通过马笼 头13与外接龟缆外皮连接，外筒体的直径控制在102mm以内，长度控制在 1200mm以内，采用35CrMo材料加工成5mm厚的腔壁，以承受50MPa的 水压。本技术的中频升压变压器在6倍长宽比下可获得150倍的变比，并 具有4kW的功率；采用高温材料制作支撑绝缘件，并在硅油复合绝缘条件 下，能够输出30kV高压；采用了热膨胀腔后，能够在15(TC条件下工作。 实测表明，本技术在地面600V电压，且经过下井电缆传输后，能为 储能电容器充电，使整套设备保持每分钟3 6次的工作频率。上述实施方式仅为本技术的优选实例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于井下工作的高压直流电源，包括变压器、整流电路和壳体结构，其特征在于，变压器采用中频升压变压器（２３），整流电路采用硅堆整流桥（６），壳体结构包括外筒体（１４）和马笼头（１３），该中频升压变压器的铁芯（４）和线包（３）、硅堆整流桥（６）及高压电极（９）通过绝缘支撑件固连成一个整体，密封在外筒体（１４）中的耐高温硅油（１６）中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓琳，
申请(专利权)人：吕晓琳，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]