遠(yuǎn)程海纜直流供電系統(tǒng)

陳 亞

（海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室，無(wú)錫 214061）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家和組織開始了海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研究。早在1998年，美國(guó)與加拿大就正式啟動(dòng)了著名的NEPTUNE——“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。日本海底電纜科學(xué)應(yīng)用研究組于2003年1月提出了新型實(shí)時(shí)海底監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提案。英、德、法在2004年制定了歐洲海底觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在2004年開展了海洋研究交互觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃研究［1］。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括了通信系統(tǒng)、通信協(xié)議、觀測(cè)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存取與管理、接駁盒、電能供給與輸送等很多技術(shù)問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決應(yīng)該立足于現(xiàn)有的技術(shù)和已經(jīng)進(jìn)行的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，利用這些網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)并不斷開拓和創(chuàng)新。

在遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)中，主干纜輸送電壓一般都在千伏量級(jí)甚至更高，有利于減少電能的損耗。由于海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中水下設(shè)備維護(hù)相當(dāng)困難，因而如何構(gòu)建高可靠供電系統(tǒng)成為各國(guó)科研技術(shù)人員的重要研究課題之一。

1 遠(yuǎn)程海纜直流供電系統(tǒng)

整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)離不開電能，沒(méi)有電能的海底觀測(cè)網(wǎng)就如同虛設(shè)。電能是從岸基站通過(guò)海底電纜輸送到海底的，輸送電纜由一根主電纜與海底分支盒相連。因?yàn)榻涣麟姷娜菘箤?duì)電能損耗大，所以為了在海水中遠(yuǎn)距離傳輸電能，一般都采用直流輸電方式。

輸送電能的系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：岸基站能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)、分支盒能量控制與轉(zhuǎn)換模塊、分支盒能量管理與控制模塊、分支盒末端低電壓分配模塊。

岸基站至少需要實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和不間斷能量供給2個(gè)功能。電能轉(zhuǎn)換指的是將三相交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，不間斷能量供給指的是通過(guò)建立多個(gè)能量供給站點(diǎn)，構(gòu)成冗余供電方式，即使當(dāng)?shù)氐娜嘟涣麟姽┙o出現(xiàn)故障，對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的供電仍然不會(huì)間斷。

由于海底觀測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載是不定的，負(fù)載變化會(huì)引起電流、電壓的變化，從而造成觀測(cè)設(shè)備的不穩(wěn)定。能量管理與控制模塊會(huì)根據(jù)波動(dòng)的電壓、電流來(lái)對(duì)設(shè)備的實(shí)際電壓、電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之保持在一定范圍。

下面就用一種簡(jiǎn)化的遠(yuǎn)程海纜直流恒壓供電系統(tǒng)進(jìn)行分析。

遠(yuǎn)程海纜直流供電系統(tǒng)由岸基電源和水下電源兩部分組成，其基本架構(gòu)如下：岸基電源分布于同一機(jī)房或兩地，其距離可以很遠(yuǎn)，2臺(tái)岸基電源之間通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行協(xié)同控制，2臺(tái)電源的高壓輸出通過(guò)遠(yuǎn)程高壓電纜連接，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程海纜直流供電系統(tǒng)

岸基電源由AC－DC電源和配電控制單元組成。

AC－DC電源采用數(shù)字化高頻開關(guān)電源技術(shù)，具有高效率、高功率因素等優(yōu)點(diǎn)。

岸基電源中，每個(gè)AC－DC電源具有3 k W或更高的負(fù)載能力，2臺(tái)電源互為冗余，采用熱備份工作模式。電源負(fù)端通過(guò)遠(yuǎn)程高壓水下電纜和分支盒構(gòu)成環(huán)形供電鏈路，電源正端通過(guò)近海接地體以及海水本體構(gòu)成。每個(gè)分支盒可以供給1個(gè)或多個(gè)負(fù)載。本系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入：三相 AC380 V±20%，50 Hz；

最高輸出電壓：－2 000 V；

最大輸出電流：1.5 A；

分節(jié)點(diǎn)最大功率：160 W；

節(jié)點(diǎn)數(shù)：12；

具有單節(jié)點(diǎn)負(fù)載故障或海纜故障保護(hù)和隔離功能。

2 遠(yuǎn)程海纜供電故障模式［2］

遠(yuǎn)程海纜供電系統(tǒng)中，水下供電鏈路經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要有如下幾種模式：

（1）海纜主干纜斷路或短路；

（2）分支纜斷路或短路；

（3）支路負(fù)載短路或斷路；

（4）水下設(shè)備絕緣性能下降導(dǎo)致的過(guò)載。

通常情況下，各支路供電電源（DC／DC）具有過(guò)載保護(hù)功能。因而末端負(fù)載短路或過(guò)載時(shí)，支路供電電源能夠自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，將終端負(fù)載與供電鏈路隔離。然而當(dāng)水下設(shè)備水密性下降時(shí)，絕緣性能將大幅度下降而導(dǎo)致短路或過(guò)載。

海纜主干纜斷路時(shí)可能出現(xiàn)2種狀態(tài)：一種狀態(tài)是芯線由于外力作用而斷開，從而導(dǎo)致供電鏈路在某處斷開。在該狀態(tài)下，由于采用雙岸基電源方案，可維系水下設(shè)備的供電。另一種狀態(tài)是海纜主干纜由于外力作用而斷裂，芯線裸露于海水中，從而導(dǎo)致短路。該狀態(tài)下如果沒(méi)有保護(hù)措施，將導(dǎo)致整個(gè)供電鏈路失效。

分支纜斷路將同樣出現(xiàn)以上狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，如果能將出現(xiàn)短路的故障點(diǎn)從整個(gè)供電鏈路中隔離，可以大幅提高供電鏈路的可靠性。

本文提出了一種T型高壓分配器方案，以便有效解決短路或斷路狀態(tài)下的主供電鏈路失效問(wèn)題。

3 T型高壓分配器工作原理

T型高壓分配器原理框圖如圖2所示。

圖2 T型高壓分配器工作原理示意圖

圖2中，通過(guò)電阻R1、R2、R3檢測(cè)流過(guò)開關(guān)管V1、V2、V3的電流，當(dāng)電流取樣值超過(guò)比較電壓時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，V1、V2或V3柵極將失去驅(qū)動(dòng)而進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。3個(gè)帶有T型分配器的供電鏈路如圖3所示。

圖3 3個(gè)帶有T型分配器的供電鏈路

RX1、RX2為遠(yuǎn)程海纜等效電阻。RL1、RL2、RL3分別為支路等效負(fù)載。UA、UB為岸基電源。

假設(shè)A1～B3為主纜供電通道，D2～C2為支路供電通道。在正常狀態(tài)下，S1、S2、S3均處于導(dǎo)通狀態(tài)，T型分配器任意2個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)間均可以雙向工作。負(fù)載可通過(guò)S1、S3或S2、S3分別由電源UA或UB供電。

當(dāng)A2與B1主纜斷路時(shí)，負(fù)載RL1由岸基電源UA通過(guò)分配器1中的S1、S3維持供電。負(fù)載RL2、RL3將由岸基電源UB通過(guò)分配器2和分配器3維持供電。

當(dāng)A2與B1主纜某點(diǎn)對(duì)地出現(xiàn)短路時(shí)，分配器1中的開關(guān)S2和分配器3中的開關(guān)S1斷開。負(fù)載RL1將由UA供電，負(fù)載RL3將由UB供電。

若B2－A3主纜某點(diǎn)對(duì)地出現(xiàn)短路時(shí)，分配器2中的開關(guān)S2和分配器2中的開關(guān)S1斷開。負(fù)載RL1將由UA供電，負(fù)載RL2與RL3將由UB供電。

當(dāng)D2－C2出現(xiàn)過(guò)流，即負(fù)載RL2或分支纜出現(xiàn)對(duì)地短路故障時(shí)，開關(guān)S3在控制電路的作用下斷開，將支路負(fù)載從主干纜供電通道切出。

根據(jù)以上分析，在供電鏈路中采用T型高壓分配器，可以有效隔離故障點(diǎn)，從而提高供電的可靠性。

4 T型高壓分配器設(shè)計(jì)

進(jìn)行T型高壓分配器設(shè)計(jì)時(shí)，主要注意以下幾點(diǎn)：

（1）高壓開關(guān)器件的選擇

圖2中的高壓開關(guān)器件V1、V2、V3應(yīng)將岸基電源的最高輸出電壓作為額定工作電壓，主要是因?yàn)楫?dāng)支路負(fù)載未正常工作前或某些支路處于故障狀態(tài)時(shí)，整個(gè)鏈路的工作電流較小，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓將與岸基電源輸出近乎相等。

（2）電流取樣電阻的選擇及基準(zhǔn)設(shè)定

圖2中R1、R2、R3為電流取樣電阻，為降低功耗通常其阻值較小。然而阻值過(guò)小時(shí)，電阻R1、R2、R3上的電壓過(guò)低將會(huì)導(dǎo)致干擾，從而導(dǎo)致T型分配器中的控制電路誤動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)誤動(dòng)作。

（3）輔助電源的設(shè)計(jì)

在輔助電源輸入必須加入二極管V4、V5、V6。由于引入了二極管V4、V5、V6，在圖2中除非出現(xiàn)A、B、C 3點(diǎn)同時(shí)對(duì)地短路的情況，否則輔助電源都可以正常工作。

輔助電源設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到輸入的大范圍變化。這是因?yàn)樵诤銐汗╇娤到y(tǒng)中，整個(gè)供電鏈路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都不同，而且隨著支路負(fù)載的變化而變化。

根據(jù)系統(tǒng)工作電壓和工作電流，可以選擇IXBL16N250作為主開關(guān)管。在額定工作電流（1.5 A）時(shí)，電阻R1、R2、R3取值為20 mΩ，其上的取樣電壓設(shè)置為0.3 V。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，電路在各種狀態(tài)下均能可靠工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種T型高壓分配器的基本設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建了多節(jié)點(diǎn)恒壓供電系統(tǒng)，通過(guò)故障模擬實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期工作，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

［1］高艷波.深海高技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.海洋技術(shù)，2010，29（3）：119－124.

［2］李明春.海纜故障定位分析［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，1998（6）：45－47.