遠程海纜直流供電系統

陳 亞

（海軍駐無錫地區軍事代表室，無錫 214061）

0 引 言

隨著科學技術的發展，越來越多的國家和組織開始了海底觀測網絡的研究。早在1998年，美國與加拿大就正式啟動了著名的NEPTUNE——“海王星”海底觀測網絡計劃。日本海底電纜科學應用研究組于2003年1月提出了新型實時海底監測網絡提案。英、德、法在2004年制定了歐洲海底觀測網計劃。美國國家科學基金會在2004年開展了海洋研究交互觀測網絡計劃研究［1］。

海底觀測網絡包括了通信系統、通信協議、觀測器系統、數據存取與管理、接駁盒、電能供給與輸送等很多技術問題。這些問題的解決應該立足于現有的技術和已經進行的海底觀測網絡計劃，利用這些網絡和技術的成功經驗并不斷開拓和創新。

在遠程供電系統中，主干纜輸送電壓一般都在千伏量級甚至更高，有利于減少電能的損耗。由于海底觀測網絡中水下設備維護相當困難，因而如何構建高可靠供電系統成為各國科研技術人員的重要研究課題之一。

1 遠程海纜直流供電系統

整個海底觀測網離不開電能，沒有電能的海底觀測網就如同虛設。電能是從岸基站通過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。因為交流電的容抗對電能損耗大，所以為了在海水中遠距離傳輸電能，一般都采用直流輸電方式。

輸送電能的系統由4個部分組成：岸基站能量轉換點、分支盒能量控制與轉換模塊、分支盒能量管理與控制模塊、分支盒末端低電壓分配模塊。

岸基站至少需要實現電能轉換和不間斷能量供給2個功能。電能轉換指的是將三相交流電轉化為高壓直流電，不間斷能量供給指的是通過建立多個能量供給站點，構成冗余供電方式，即使當地的三相交流電供給出現故障，對海底觀測網絡的供電仍然不會間斷。

由于海底觀測系統的負載是不定的，負載變化會引起電流、電壓的變化，從而造成觀測設備的不穩定。能量管理與控制模塊會根據波動的電壓、電流來對設備的實際電壓、電流進行調節，使之保持在一定范圍。

下面就用一種簡化的遠程海纜直流恒壓供電系統進行分析。

遠程海纜直流供電系統由岸基電源和水下電源兩部分組成，其基本架構如下：岸基電源分布于同一機房或兩地，其距離可以很遠，2臺岸基電源之間通過遠程網絡通訊進行協同控制，2臺電源的高壓輸出通過遠程高壓電纜連接，如圖1所示。

圖1 遠程海纜直流供電系統

岸基電源由AC－DC電源和配電控制單元組成。

AC－DC電源采用數字化高頻開關電源技術，具有高效率、高功率因素等優點。

岸基電源中，每個AC－DC電源具有3 k W或更高的負載能力，2臺電源互為冗余，采用熱備份工作模式。電源負端通過遠程高壓水下電纜和分支盒構成環形供電鏈路，電源正端通過近海接地體以及海水本體構成。每個分支盒可以供給1個或多個負載。本系統主要技術指標如下：

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；

分節點最大功率：160 W；

節點數：12；

具有單節點負載故障或海纜故障保護和隔離功能。

2 遠程海纜供電故障模式［2］

遠程海纜供電系統中，水下供電鏈路經常出現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）支路負載短路或斷路；

（4）水下設備絕緣性能下降導致的過載。

通常情況下，各支路供電電源（DC／DC）具有過載保護功能。因而末端負載短路或過載時，支路供電電源能夠自動進入保護狀態，將終端負載與供電鏈路隔離。然而當水下設備水密性下降時，絕緣性能將大幅度下降而導致短路或過載。

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

分支纜斷路將同樣出現以上狀態。

根據以上分析，如果能將出現短路的故障點從整個供電鏈路中隔離，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下的主供電鏈路失效問題。

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，通過電阻R1、R2、R3檢測流過開關管V1、V2、V3的電流，當電流取樣值超過比較電壓時，比較器翻轉，V1、V2或V3柵極將失去驅動而進入截止狀態。3個帶有T型分配器的供電鏈路如圖3所示。

圖3 3個帶有T型分配器的供電鏈路

RX1、RX2為遠程海纜等效電阻。RL1、RL2、RL3分別為支路等效負載。UA、UB為岸基電源。

假設A1～B3為主纜供電通道，D2～C2為支路供電通道。在正常狀態下，S1、S2、S3均處于導通狀態，T型分配器任意2個開關節點間均可以雙向工作。負載可通過S1、S3或S2、S3分別由電源UA或UB供電。

當A2與B1主纜斷路時，負載RL1由岸基電源UA通過分配器1中的S1、S3維持供電。負載RL2、RL3將由岸基電源UB通過分配器2和分配器3維持供電。

當A2與B1主纜某點對地出現短路時，分配器1中的開關S2和分配器3中的開關S1斷開。負載RL1將由UA供電，負載RL3將由UB供電。

若B2－A3主纜某點對地出現短路時，分配器2中的開關S2和分配器2中的開關S1斷開。負載RL1將由UA供電，負載RL2與RL3將由UB供電。

當D2－C2出現過流，即負載RL2或分支纜出現對地短路故障時，開關S3在控制電路的作用下斷開，將支路負載從主干纜供電通道切出。

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

4 T型高壓分配器設計

進行T型高壓分配器設計時，主要注意以下幾點：

（1）高壓開關器件的選擇

圖2中的高壓開關器件V1、V2、V3應將岸基電源的最高輸出電壓作為額定工作電壓，主要是因為當支路負載未正常工作前或某些支路處于故障狀態時，整個鏈路的工作電流較小，這樣每個節點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設定

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。然而阻值過小時，電阻R1、R2、R3上的電壓過低將會導致干擾，從而導致T型分配器中的控制電路誤動作，進而導致開關誤動作。

（3）輔助電源的設計

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A、B、C 3點同時對地短路的情況，否則輔助電源都可以正常工作。

輔助電源設計時需要考慮到輸入的大范圍變化。這是因為在恒壓供電系統中，整個供電鏈路中各個節點的電壓都不同，而且隨著支路負載的變化而變化。

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

通過實驗，電路在各種狀態下均能可靠工作。

5 結束語

本文給出了一種T型高壓分配器的基本設計思路，構建了多節點恒壓供電系統，通過故障模擬實驗和長期工作，驗證了設計的合理性和可行性。

［1］高艷波.深海高技術發展現狀及趨勢［J］.海洋技術，2010，29（3）：119－124.

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