远程海缆直流供电系统

陈 亚

（海军驻无锡地区军事代表室，无锡 214061）

0 引 言

随着科学技术的发展，越来越多的国家和组织开始了海底观测网络的研究。早在1998年，美国与加拿大就正式启动了著名的NEPTUNE——“海王星”海底观测网络计划。日本海底电缆科学应用研究组于2003年1月提出了新型实时海底监测网络提案。英、德、法在2004年制定了欧洲海底观测网计划。美国国家科学基金会在2004年开展了海洋研究交互观测网络计划研究［1］。

海底观测网络包括了通信系统、通信协议、观测器系统、数据存取与管理、接驳盒、电能供给与输送等很多技术问题。这些问题的解决应该立足于现有的技术和已经进行的海底观测网络计划，利用这些网络和技术的成功经验并不断开拓和创新。

在远程供电系统中，主干缆输送电压一般都在千伏量级甚至更高，有利于减少电能的损耗。由于海底观测网络中水下设备维护相当困难，因而如何构建高可靠供电系统成为各国科研技术人员的重要研究课题之一。

1 远程海缆直流供电系统

整个海底观测网离不开电能，没有电能的海底观测网就如同虚设。电能是从岸基站通过海底电缆输送到海底的，输送电缆由一根主电缆与海底分支盒相连。因为交流电的容抗对电能损耗大，所以为了在海水中远距离传输电能，一般都采用直流输电方式。

输送电能的系统由4个部分组成：岸基站能量转换点、分支盒能量控制与转换模块、分支盒能量管理与控制模块、分支盒末端低电压分配模块。

岸基站至少需要实现电能转换和不间断能量供给2个功能。电能转换指的是将三相交流电转化为高压直流电，不间断能量供给指的是通过建立多个能量供给站点，构成冗余供电方式，即使当地的三相交流电供给出现故障，对海底观测网络的供电仍然不会间断。

由于海底观测系统的负载是不定的，负载变化会引起电流、电压的变化，从而造成观测设备的不稳定。能量管理与控制模块会根据波动的电压、电流来对设备的实际电压、电流进行调节，使之保持在一定范围。

下面就用一种简化的远程海缆直流恒压供电系统进行分析。

远程海缆直流供电系统由岸基电源和水下电源两部分组成，其基本架构如下：岸基电源分布于同一机房或两地，其距离可以很远，2台岸基电源之间通过远程网络通讯进行协同控制，2台电源的高压输出通过远程高压电缆连接，如图1所示。

图1 远程海缆直流供电系统

岸基电源由AC－DC电源和配电控制单元组成。

AC－DC电源采用数字化高频开关电源技术，具有高效率、高功率因素等优点。

岸基电源中，每个AC－DC电源具有3 k W或更高的负载能力，2台电源互为冗余，采用热备份工作模式。电源负端通过远程高压水下电缆和分支盒构成环形供电链路，电源正端通过近海接地体以及海水本体构成。每个分支盒可以供给1个或多个负载。本系统主要技术指标如下：

输入：三相 AC380 V±20%，50 Hz；

最高输出电压：－2 000 V；

最大输出电流：1.5 A；

分节点最大功率：160 W；

节点数：12；

具有单节点负载故障或海缆故障保护和隔离功能。

2 远程海缆供电故障模式［2］

远程海缆供电系统中，水下供电链路经常出现的故障主要有如下几种模式：

（1）海缆主干缆断路或短路；

（2）分支缆断路或短路；

（3）支路负载短路或断路；

（4）水下设备绝缘性能下降导致的过载。

通常情况下，各支路供电电源（DC／DC）具有过载保护功能。因而末端负载短路或过载时，支路供电电源能够自动进入保护状态，将终端负载与供电链路隔离。然而当水下设备水密性下降时，绝缘性能将大幅度下降而导致短路或过载。

海缆主干缆断路时可能出现2种状态：一种状态是芯线由于外力作用而断开，从而导致供电链路在某处断开。在该状态下，由于采用双岸基电源方案，可维系水下设备的供电。另一种状态是海缆主干缆由于外力作用而断裂，芯线裸露于海水中，从而导致短路。该状态下如果没有保护措施，将导致整个供电链路失效。

分支缆断路将同样出现以上状态。

根据以上分析，如果能将出现短路的故障点从整个供电链路中隔离，可以大幅提高供电链路的可靠性。

本文提出了一种T型高压分配器方案，以便有效解决短路或断路状态下的主供电链路失效问题。

3 T型高压分配器工作原理

T型高压分配器原理框图如图2所示。

图2 T型高压分配器工作原理示意图

图2中，通过电阻R1、R2、R3检测流过开关管V1、V2、V3的电流，当电流取样值超过比较电压时，比较器翻转，V1、V2或V3栅极将失去驱动而进入截止状态。3个带有T型分配器的供电链路如图3所示。

图3 3个带有T型分配器的供电链路

RX1、RX2为远程海缆等效电阻。RL1、RL2、RL3分别为支路等效负载。UA、UB为岸基电源。

假设A1～B3为主缆供电通道，D2～C2为支路供电通道。在正常状态下，S1、S2、S3均处于导通状态，T型分配器任意2个开关节点间均可以双向工作。负载可通过S1、S3或S2、S3分别由电源UA或UB供电。

当A2与B1主缆断路时，负载RL1由岸基电源UA通过分配器1中的S1、S3维持供电。负载RL2、RL3将由岸基电源UB通过分配器2和分配器3维持供电。

当A2与B1主缆某点对地出现短路时，分配器1中的开关S2和分配器3中的开关S1断开。负载RL1将由UA供电，负载RL3将由UB供电。

若B2－A3主缆某点对地出现短路时，分配器2中的开关S2和分配器2中的开关S1断开。负载RL1将由UA供电，负载RL2与RL3将由UB供电。

当D2－C2出现过流，即负载RL2或分支缆出现对地短路故障时，开关S3在控制电路的作用下断开，将支路负载从主干缆供电通道切出。

根据以上分析，在供电链路中采用T型高压分配器，可以有效隔离故障点，从而提高供电的可靠性。

4 T型高压分配器设计

进行T型高压分配器设计时，主要注意以下几点：

（1）高压开关器件的选择

图2中的高压开关器件V1、V2、V3应将岸基电源的最高输出电压作为额定工作电压，主要是因为当支路负载未正常工作前或某些支路处于故障状态时，整个链路的工作电流较小，这样每个节点的电压将与岸基电源输出近乎相等。

（2）电流取样电阻的选择及基准设定

图2中R1、R2、R3为电流取样电阻，为降低功耗通常其阻值较小。然而阻值过小时，电阻R1、R2、R3上的电压过低将会导致干扰，从而导致T型分配器中的控制电路误动作，进而导致开关误动作。

（3）辅助电源的设计

在辅助电源输入必须加入二极管V4、V5、V6。由于引入了二极管V4、V5、V6，在图2中除非出现A、B、C 3点同时对地短路的情况，否则辅助电源都可以正常工作。

辅助电源设计时需要考虑到输入的大范围变化。这是因为在恒压供电系统中，整个供电链路中各个节点的电压都不同，而且随着支路负载的变化而变化。

根据系统工作电压和工作电流，可以选择IXBL16N250作为主开关管。在额定工作电流（1.5 A）时，电阻R1、R2、R3取值为20 mΩ，其上的取样电压设置为0.3 V。

通过实验，电路在各种状态下均能可靠工作。

5 结束语

本文给出了一种T型高压分配器的基本设计思路，构建了多节点恒压供电系统，通过故障模拟实验和长期工作，验证了设计的合理性和可行性。

［1］高艳波.深海高技术发展现状及趋势［J］.海洋技术，2010，29（3）：119－124.

［2］李明春.海缆故障定位分析［J］.无线电通信技术，1998（6）：45－47.