CN110749805A - 海缆闪络放电的模拟实验装置、模拟实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底观测网海缆闪络放电的模拟实验装置，包括：恒压电源；海缆等效实验模型，其用于模拟真实海缆的传输特性，其包含若干个电缆模拟电路，每个电缆模拟电路包括由电阻、电容、电感构成的阻容感模型；接驳盒节点电能变换器，其用于将海缆等效实验模型上的高电压转换为低电压并输出；海水短路装置，其包括一段破损的真实海缆、海水、水槽，电极、接地开关管，破损的真实海缆接在两段海缆等效实验模型之间，并放置在装有海水的水槽中，通过控制接地开关管的通断来模拟实际工况的海缆闪络放电现象。还公开了一种降低海底观测网海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统和方法，能够降低闪络放电危害。

Description

海缆闪络放电的模拟实验装置、模拟实验系统及方法

技术领域

本发明属于海洋探测领域，具体涉及一种海缆闪络放电的模拟实验装置、模拟实验系统及方法。

背景技术

海洋事业的迅猛发展引导海底观测网的研究热潮，从二十世纪七十年代开始，世界各国逐步开始了海底观测网的研究。在九十年代开始，各国开始纷纷建立海底观测网系统，比较有代表性的主要有：ACO、H2O、NEPTUNE、MARS、ESONET和DONET。其中NETPUNE海底观测网有两个岸基供电源和六个节点，并形成一个环形网络，输电缆总长度达800公里。

国内对海底观测网的研究起步较晚，2009年，同济大学在东海小衢山建立了海底观测试验站，浙江大学于近几年分别开展了ZERO和Z2ERO海底观测网研究项目，在浙江省舟山市摘箬山岛附近进行了试验布放，截止目前系统仍良好运行，是国内第一个基于水下接驳盒的观测网络，中科院声学所牵头浙江大学等多家单位正在南海建设中国首个深海海底观测网试验系统，并在2016年9月进行了单节点的布放，取得阶段性成功。目前浙江大学正在把研究重点放在广域海底观测网的小型化上，取得了一定的成果。

海底观测网络技术作为一门新兴技术提出较晚，目前在世界范围内取得较为成功的工程应用也才仅仅十多年之久，其技术研究还有待于发展探索。与此相伴的海底观测网络输电系统运行稳定性分析研究的起步更是在此新兴技术提出之后，至今还未出现系统性的研究。

海缆的故障问题对系统的稳定性影响很大，其中闪络放电就是由于海缆的缺陷而造成的。在制造过程中，电缆会存在一些制造缺陷，如在外层绝缘体中掺有金属杂质或空隙等，在较强的电场作用下(尤其是海底观测网络中的工作电压可达-10kV)，绝缘层极有可能被击穿，从而使输电线路产生闪络放电现象，进而由此造成后端节点的损坏。除此之外，在海底还有可能受到船舶的锚、渔具或洋流作用而导致电缆和岩石持续摩擦，这些也会导致电缆绝缘层被破坏，从而导致电缆缆芯与海水直接接触而发生闪络放电现象。

因此，研究闪络放电现象对整个海底观测网络中设备的影响以及防御对设备的危害，是十分必要的。

发明内容

为研究海缆闪络放电对后端接驳盒可能造成的危害以及抑制这种危害的发生，本发明提出了一种海缆闪络放电的模拟实验装置，该模拟实验装置能模拟闪络放电现象，监控接驳盒的输出，并得到该故障对接驳盒的危害程度，以及针对此故障的危害程度，提出了一种降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统和方法，以降低闪络放电危害。

本发明的技术方案为：

一种海缆闪络放电的模拟实验装置，包括：

恒压电源；

海缆等效实验模型，其用于模拟真实海缆的传输特性，其包含若干个电缆模拟电路，每个电缆模拟电路包括由电阻、电容、电感构成的阻容感模型；

接驳盒节点电能变换器，其用于将海缆等效实验模型上的高电压转换为低电压并输出；

海水短路装置，其包括一段有破损的真实海缆、海水、水槽，电极、接地开关管，破损的真实海缆接在两段海缆等效实验模型之间，并放置在装有海水的水槽中，通过控制接地开关管的通断来模拟实际工况的海缆闪络放电现象。

优选地，所述的每个电缆模拟电路模拟10km真实海缆的传输特性。最小分段长度为10km的确定是由不同分段长度的海缆和真实海缆的传输特性进行对比并考虑经济因素而得出的，将一段长模拟海缆分成每段10km和实际海缆作对比，误差在可接受范围之内，如果分段长度再小，结果越接近实际海缆，但费用也会增加，所以选用10km作为海缆模拟电路的最小分段长度；多块10km的电缆模拟电路串联就能实现长距离的海缆实验模型。

其中，电缆模拟电路之间进行连串联接。

本发明中，所述接驳盒节点电能变换器将所述海缆等效实验模型末端的高电压转化为低电压后，输出至与接驳盒节点电能变换器对应的输出支路。具体地，接驳盒节点电能变换器通过串联输入和串联输出，和串联输入并联输出相结合的多模块复合结构，以减小单个开关元件上承受的电压，将-10kV高压转换为375V中压。

本发明中，海水短路装置用于制造产生闪络放电现象的环境，其中，所述接地开关管为真空开关管。此外，所述海水短路装置还包括一个控制器，用于控制所述接地开关管的通断。

基于上述模拟实验系统，发现海缆破损时会发生闪络放电现象，引起接驳盒输出电压的振荡，严重时有可能发生电器元件的电压击穿，为了降低闪络放电危害程度，本发明还提供了一种降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统，包括：

上述的海缆闪络放电的模拟实验装置；

两个硅堆，其连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入端，接驳盒节点电能变换器输入端储存的能量在短路瞬间由其中一个硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击；另一个硅堆用于防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒节点电能变换器带来更大的损害。

具体地，其中一个硅堆连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路上，另一个硅堆连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路与输入负支路之间。

本发明还提供了一种降低海缆闪络放电危害程度的方法，所述包括以下步骤：

在接驳盒的输入端连接硅堆，这样使接驳盒节点DC/DC变换器输入端储存的能量在短路瞬间由硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击，防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒带来更大的损害。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明提供的海缆闪络放电的模拟实验装置能够准确地模拟海缆闪络放电现象，监测该闪络放电对变换器输出电压的影响；

本发明提供的降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统和方法，能够使接驳盒节点DC/DC变换器输入端储存的能量在短路瞬间由硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击，防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒节点DC/DC变换器带来更大的损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是树形多节点海底观测网结构示意图；

图2是传输海缆RLC级联分布参数模型；

图3是海缆RLC等效实验模型实物图；

图4是海缆闪络放电模拟实验示意图；

图5(a)是闪络放电模拟实验中的接驳盒电能变换器在未加硅堆情况下的电压输出波形，图5(b)是闪络放电模拟实验中的接驳盒电能变换器在增加硅堆之后的电压输出波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1为多节点树形拓扑海底观测网的结构图，主要包括岸基站(供电和数据处理)，海缆和海缆分支器(海缆一分为二处的连接器)，主接驳盒(电能变换和数据通讯)，次级接驳盒(电源供给和通讯接口)，科学仪器(科学探测)。

图2为传输海缆的RLC级联参数等效模型，实际输电线路的输电缆参数是均匀分布的，然而分布参数电路的计算比较繁杂，在以往的对输电系统的计算分析中常常将分布参数电路等效为集中参数电路以简化计算。综合集中式参数模型可以看出，当输电系统处于稳态时，其容抗和感抗都不起作用，所以对于系统稳态特性计算的模型宜采用集中参数式模型，便于计算。然而对于输电系统的启动、负载切变及非常态闪络放电等动态过程的描述，集中式参数模型显得不够准确，RLC级联参数模型能更好的模拟真实情况。

图3为海缆等效实验模型的实物图，将理论计算和实际测量结果对比可知单位长度电缆的寄生参数R₀＝1Ω/km,L₀＝0.37mH/km,C₀＝0.16uF/km，级联集中参数精度是10km。故若搭建200km电缆模拟平台，可确定元器件选型以及主要参数：定制谐振电容3.2uF(额定电压20kV)、EE型硅铁磁粉芯绕制电感7.4mH(额定电流2A)、金黄色铝壳电阻20Ω电流(额定功率100W)。200km电缆模型由20块RLC电路板组成，每个级联RLC模块代表10km电缆长度，每块电路板之间采用铜导线进行电气连接。

图4为本发明海缆闪络放电的模拟实验装置的示意图，当海缆短路时缆芯对海水快速放电，缆上电压瞬间下降，从而导致接驳盒节点输入电压瞬间跌落。由于接驳盒节点自身的负反馈作用，会导致接驳盒输出电压的振荡，严重时有可能发生电器元件的电压击穿。按照图4的接线示意图，搭建实验平台，将50km模拟海缆后端接入一段有破损的实际海缆，并将其置于人造海水之中，并在水槽内放置一块电极，使用真空开关管控制电极与大地之间的连接，以模拟海缆击穿时的瞬时放电现象。

电源正常工作时，高压电通过50km模拟海缆、有破损的实际海缆以及30km模拟海缆到达电能变换器，经过电能变换器转换为中压375V。在电能变换器的输出端接上示波器，观察其波形。将真空开关管快速连续开关，如此一来，有破损的海缆就会对地放电产生闪络放电现象，此时输出波形将呈现较大幅度的波动，如图5(a)所示。

为了减弱闪络放电对接驳盒输出波动的影响，从而大大提高整个系统的稳定性，在图4的基础上，本发明在接驳盒电能变换器前端虚线位置增加硅堆D1、D2，形成降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统，其中，增加硅堆D1连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路上，是为了使接驳盒节点DC/DC变换器输入端储存的能量在短路瞬间由硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击；增加硅堆D2连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路与输入负支路之间，是为了防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒节点DC/DC变换器带来更大的损害。

在同样的条件下再次进行短路实验，获得在短路瞬间变换器输出的波形，如图5(b)，在短路瞬间，接驳盒375V输出端同样发生急剧的电压波动，虽然电压波动没有被完全消除，但是峰值比图5(a)减小很多，电压最大值只有665V，且最大波动峰峰值减小为598V。说明增加硅堆在一定程度上降低了输电海缆短路时对接驳盒输出端电压波动的影响，可为系统提供一定的保护作用。

实施例还提供了一种降低海缆闪络放电危害程度的方法，所述包括以下步骤：

在接驳盒的输入端连接硅堆，这样使接驳盒节点DC/DC变换器输入端储存的能量在短路瞬间由硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击，防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒带来更大的损害。

例如针对如图1所示的树形多节点海底观测网，为了防止闪络放电导致接驳盒输出电压的振荡，严重时有可能发生电器元件的电压击穿，可以在主接驳盒和次级接驳盒的输入端增加硅堆，以降低了短路时电流的冲击，防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒节点DC/DC变换器带来更大的损害。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海缆闪络放电的模拟实验装置，其特征在于，包括：

恒压电源；

海缆等效实验模型，其用于模拟真实海缆的传输特性，其包含若干个电缆模拟电路，每个电缆模拟电路包括由电阻、电容、电感构成的阻容感模型；

接驳盒节点电能变换器，其用于将海缆等效实验模型上的高电压转换为低电压并输出；

海水短路装置，其包括一段有破损的真实海缆、海水、水槽，电极、接地开关管，破损的真实海缆接在两段海缆等效实验模型之间，并放置在装有海水的水槽中，通过控制接地开关管的通断来模拟实际工况的海缆闪络放电现象。

2.如权利要求1所述的海缆闪络放电的模拟实验装置，其特征在于，所述的每个电缆模拟电路模拟10km真实海缆的传输特性。

3.如权利要求1所述的海缆闪络放电的模拟实验装置，其特征在于，电缆模拟电路之间进行连串联接。

4.如权利要求1所述的海缆闪络放电的模拟实验装置，其特征在于，所述接地开关管为真空开关管。

5.如权利要求1所述的海缆闪络放电的模拟实验装置，其特征在于，所述海水短路装置还包括一个控制器，用于控制所述接地开关管的通断。

6.一种降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统，其特征在于，包括：

权利要求1～5任一项所述的海缆闪络放电的模拟实验装置；

两个硅堆，其连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入端，接驳盒节点电能变换器输入端储存的能量在短路瞬间由其中一个硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击；另一个硅堆用于防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒节点电能变换器带来更大的损害。

7.如权利要求6所述的降低海缆闪络放电危害程度的模拟实验系统，其特征在于，其中一个硅堆连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路上，另一个硅堆连接在所述接驳盒节点电能变换器的输入正支路与输入负支路之间。

8.一种降低海缆闪络放电危害程度的方法，其特征在于，所述包括以下步骤：

在接驳盒的输入端连接硅堆，这样使接驳盒节点DC/DC变换器输入端储存的能量在短路瞬间由硅堆续流，以进行能量的释放，降低了短路时电流的冲击，防止短路瞬间输电海缆上产生的反向电流给接驳盒带来更大的损害。

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