CN111641199B - 一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置及方法，该装置安装在海底接驳盒密封腔体的前端位置，该装置的输入端通过扩展海缆连接至海底主基站的输出端，该装置的输出端通过导线连接至海底接驳盒；所述装置包括过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元；所述过电压保护单元，用于接收海底主基站通过扩展海缆输入的中压电源，吸收中压电源中高电压低能量的电压尖峰；所述过电压功率吸收单元，用于在所述检测控制单元的控制下吸收过电压输入的低电压高能量的电压浪涌，使所述过电压保护装置输出的中压电源稳定后传输给海底接驳盒；本发明可有效提高海底观测网供电的可靠性与稳定性。

Description

一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置及方法

技术领域

本发明涉及海底观测网技术领域，特别涉及一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置及方法。

背景技术

海底观测网主要由岸基站、供电海缆、海底主基站、海底接驳盒和观测设备等组成。海底接驳盒是水下远程供电系统的重要组成部分，其一项主要功能是将从海底主基站获取的375VDC中压电转换为传感器所需的48VDC及以下等级的低压电。当海底主基站与接驳盒之间连接的扩展海缆长度为公里级时，扩展海缆上寄生电感、寄生电容不容忽略，接驳盒输入端将随负载变化产生浪涌电压和尖峰，进而导致接驳盒内部电路损坏。因此，需要采用过电压保护装置，用来吸收扩展海缆传输中引起的过电压尖峰和过电压浪涌，进而提高海底观测网供电系统的可靠性与稳定性。

目前，现有海底观测网系统的过压保护方法和装置均是针对48VDC低电压类型，其主要采用分压检测控制供电回路通断的模式来进行过压保护，不能满足海底接驳盒的375VDC中压供电性能需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，为有效提高海底观测网供电的可靠性与稳定性，提出了一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，还提出了一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，安装在海底接驳盒密封腔体的前端位置，所述装置的输入端通过扩展海缆连接至海底主基站的输出端，所述装置的输出端通过导线连接至海底接驳盒；所述装置包括过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元；其中，

所述过电压保护单元，用于接收海底主基站通过扩展海缆输入的中压电源，吸收中压电源中高电压低能量的电压尖峰；

所述辅助供电单元，用于通过线性稳压将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压；

所述启动控制单元，用于输出矩形波至所述过电压功率吸收单元，从而使所述过电压功率吸收单元进入正常运行状态；

所述过电压功率吸收单元，用于在所述检测控制单元的控制下吸收过电压输入的低电压高能量的电压浪涌，使所述过电压保护装置输出的中压电源稳定后传输给海底接驳盒；

所述检测控制单元，用于监测所述过电压保护装置的输出电压，控制所述过电压功率吸收单元吸收电压浪涌直到过电压功率吸收单元的输出没有过电压浪涌。

作为上述装置的一种改进，所述过电压保护单元为由高压放电二极管、瞬态电压抑制二极管、高压电容和平衡电阻并联组成的电路，该电路的输入端通过扩展海缆连接至海底主基站的输出端。

作为上述装置的一种改进，所述辅助供电单元为由消耗电阻、NPN三极管串联再和稳压二极管并联组成的电路；该电路通过线性稳压将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压；该电路还为所述启动控制单元和所述检测控制单元提供启动工作电源。

作为上述装置的一种改进，所述启动控制单元为由电阻、电容串联再和定时器并联组成的电路，该电路的输入端连接所述辅助供电单元的电路输出端；所述启动控制单元通过定时器控制输出矩形波至所述过电压功率吸收单元。

作为上述装置的一种改进，所述过电压功率吸收单元为由高压MOS管、保护二极管和驱动电阻并联组成的电路，该电路的输入端连接所述过电压保护单元的电路输出端，该电路的控制端分别连接所述启动控制单元的电路输出端和所述检测控制单元的电路输出端；所述过电压功率吸收单元将过电压保护单元输出端的浪涌电压施加在所述高压MOS管上，作为过电压功率吸收单元的输入端电压Vin；高压MOS管吸收过电压输入的低电压高能量的电压浪涌；

当Vin≤Vo时，高压MOS管工作在可变电阻区；

当Vin＞Vo时，高压MOS管工作在恒流区，高压MOS管吸收功率P为P＝(Vin-Vo)×I

其中，Vo为钳位电压，Vin-Vo为高压MOS管吸收的电压差，I为电流值。

作为上述装置的一种改进，所述检测控制单元为由比例积分电路和NPN开关管串联组成的电路，该比例积分电路由电阻、电容和运放串联组成；通过所述比例积分电路控制NPN开关管的导通时间以监测所述过电压保护装置的输出电压，控制所述过电压功率吸收单元持续工作直到没有过电压浪涌。

本发明还提出了一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护方法，基于上述的装置实现，所述方法包括：

所述过电压保护单元接收海底主基站通过扩展海缆输入的中压电源，吸收中压电源中高电压低能量的电压尖峰；

所述辅助供电单元启动，将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压，并为所述过电压保护装置提供启动工作电压；

所述启动控制单元输出矩形波至所述过电压功率吸收单元，从而使所述过电压功率吸收单元进入正常运行状态；

所述过电压功率吸收单元接收启动工作电压后进入正常工作模式，吸收过电压浪涌信号；

所述检测控制单元启动工作，通过监测所述过电压功率吸收单元的输出电压，控制过电压功率吸收单元持续工作直到过电压功率吸收单元的输出没有过电压浪涌，此时所述过电压功率吸收单元输出中压电源至海底接驳盒。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提出将过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元集成一体，构成过电压保护装置，解决了海底接驳盒缺少过电压保护的问题；

2、提出一种在海底接驳盒的输入端应用的过电压保护装置作为其电源输入端的检测保护装置，使过电压保护装置的输出的中压电源稳定后并接至海底接驳盒，保证了接驳盒内部电路的正常稳定工作；

3、通过过电压保护单元和过电压功率吸收单元实现过电压保护，此种双重保护模式实现了组合吸收功能，即可以吸收高电压低能量的电压尖峰，也可以消除低电压高能量的电压浪涌，可以有效稳定海底主基站通过扩展海缆传输至接驳盒的中压电源，保证海底接驳盒不会因为过电压输入而造成损坏。

附图说明

图1是本发明的过电压保护装置在海底观测网应用场景示意图；

图2是本发明应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置的结构示意框图；

图3是本发明应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置的工作流程图。

具体实施方式

本发明的目的是针对现有接驳盒输入端由于扩展端导致的浪涌过压保护的问题，提供一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，解决长距离海缆传输供电和瞬时负载变化引起的过电压尖峰和过电压浪涌保护问题，提高接驳盒工作的可靠性和稳定性。

本装置，包括过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元。其中，

过电压保护单元，输入端通过扩展海缆连接至海底主基站输出的中压电源，作为过电压保护装置的第一道保护单元，包括多种瞬态保护器件，主要用于吸收过压输入的高电压低能量的电压尖峰；

辅助供电单元，输入端连接过电压保护单元的输出，通过线性稳压将输入端的高电压转换为低电压，用于为整个过电压保护装置提供启动工作电压；

启动控制单元，输入端连接辅助供电单元的输出端，通过定时器控制使输出矩形波输出至过电压功率吸收单元，并使过电压功率吸收单元进入正常运行状态；

过电压功率吸收单元，输入端连接过电压保护单元的输出端，控制端连接启动控制单元和检测控制单元的输出端，主要用于控制吸收过电压输入的低电压高能量电压浪涌，作为过电压保护装置的重要保护单元，包括高压开关器件和驱动电路，安装在过电压保护单元的输出端，使过电压保护装置输出的中压电源稳定后传输给海底接驳盒内部电路；

检测控制单元，输入端连接过电压功率吸收单元，主要用于监测过电压保护装置的输出电压，通过比例积分处理电路控制开关管的导通时间，将输出电压输出至过电压功率吸收单元。

通过上述的过电压保护单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元等协同工作，过电压保护装置吸收了输入电压掺杂的电压尖峰和电压浪涌，使其输出至接驳盒的中压电源保持稳定，进而保证后级水下设备安全工作。

一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置工作过程为：

1)海底观测网主基站运行工作，主基站中的中压电能转换单元输出中压电源；

2)中压电能转换单元输出的中压电源通过扩展海缆传输至海底接驳盒的过电压保护装置的过电压保护单元，通过过电压保护单元吸收电压尖峰；

3)辅助供电单元启动，并稳压输出低电压，用于控制启动控制单元输出驱动矩形波；

4)过电压功率吸收单元接收启动电压后开始进入正常工作模式，输出稳定电压至接驳盒内部其他电路；

5)检测控制单元开始监测过电压功率吸收单元的输出电压，并控制过电压功率吸收单元吸收输入的过电压浪涌。

过电压保护装置通过检测主基站输出的电源电压，并控制其稳定正常工作后，使输出的中压电源稳定接至接驳盒，保证其进入正常稳定工作状态。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

为了更具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

附图1是本发明实施例在海底观测网整体系统的应用示意图，附图2是本发明实施例提供的一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置结构示意框图，附图3是本发明实施例提供的过电压保护装置的工作流程图。

如附图1所示，本实施案例提供的过电压保护装置安装在海底接驳盒密封腔体的前端位置，输入端通过扩展海缆连接至海底主基站输出端，输出端通过导线连接至海底接驳盒内部其他电路。

如附图2所示，本实施例提供的过电压保护装置包括：过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元。其中：

作为优选，过电压保护单元，主要器件包括：高压放电二极管、瞬态电压抑制二极管、高压电容和平衡电阻，通过并联组合，过电压保护单元处于本发明的输入端，作为过压保护装置的第一道保护单元，主要用于吸收海底主基站通过扩展海缆输入的高电压低能量的电压尖峰；

作为优选，辅助供电单元，主要器件包括：消耗电阻、稳压二极管和NPN三极管，具体为消耗电阻、NPN三极管串联再和稳压二极管并联组成的电路，辅助供电单元位于过电压保护单元的输出端，将中压电源通过线性稳压转换为低电压，主要为整个过压保护装置启动提供工作电压；

作为优选，启动控制单元，主要器件包括：555定时器及电阻和电容，具体为电阻、电容串联再和定时器并联组成的电路。启动控制单元安装在辅助供电单元的输出端，通过定时器控制输出的矩形波输出至过电压功率吸收单元，使其进入正常运行状态；

作为优选，过电压功率吸收单元，主要器件包括：高压MOS管、保护二极管和驱动电阻，通过并联安装在过电压保护单元的输出端，将过电压保护单元输出端的浪涌电压施加在高压MOS管上，作为过电压功率吸收单元的输入端电压Vin。

当Vin≤Vo(钳位电压时)，高压MOS管工作在可变电阻区；当Vin＞Vo(钳位电压时)，高压MOS管吸收电压差(Vin-Vo)，高压MOS工作在恒流区，I为电流值，吸收功率P为：

P＝(Vin-Vo)×I

即过电压功率吸收单元主要用于吸收过压输入低电压高能量的电压浪涌，作为过压保护装置的重要保护单元，使输出电压稳定并接至接驳盒的内部其他电路；

作为优选，检测控制单元，主要包括：采样电阻、运放和NPN开关管，检测控制单元位于过电压功率吸收单元的控制端，主要用于监测过电压保护装置的输出端电压，通过比例积分电路控制开关管的导通时间，输出电压至过电压功率吸收单元。

在本实施例中通过上述的检测控制单元、过电压保护单元和过电压功率吸收单元等协同工作，吸收输入电压掺杂的电压尖峰和电压浪涌，使输出至接驳盒的电压稳定不变，进而保护后级水下设备的工作安全。

实施例2

如附图1、附图2和附图3所示，本发明实施例一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置工作步骤如下：

步骤一、海底观测网整个系统启动，海底主基站开始工作，中压电能转换单元输出中压电源；

步骤二、中压电能转换单元输出的中压电源，通过扩展海缆传输至过电压保护装置的过电压保护单元；

步骤三、过电压保护单元工作，吸收过电压尖峰；

步骤三、辅助供电单元开始工作并输出低电压，用于控制启动控制单元输出矩形波；

步骤四、启动控制单元控制过电压功率吸收单元；

步骤五、过电压功率吸收单元开始工作，吸收过电压浪涌信号；

步骤六、检测控制单元开始工作，通过监测过电压功率吸收单元的输出端电压，从而控制过电压吸收单元吸收输入接驳盒的过电压浪涌信号。

步骤七、输出稳定的中压电源至海底接驳盒内部电路。

过电压保护装置通过检测并控制主基站输出的电源电压稳定正常工作后，使输出稳定后再接至接驳盒，以此保证其进入正常稳定工作状态。

本发明提出的过电压保护装置设计了双重过电压保护方法，承担着海底接驳盒输入电压信号的保护功能，其中过电压保护单元和功率吸收单元能够根据输入电压的尖峰值、浪涌值快速吸收后消除过电压，确保过电压保护装置输出中压电源可以稳定传输至海底接驳盒，有效提高了海底接驳盒的可靠性和稳定性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，安装在海底接驳盒密封腔体的前端位置，所述装置的输入端通过扩展海缆连接至海底主基站的输出端，所述装置的输出端通过导线连接至海底接驳盒；其特征在于，所述装置包括过电压保护单元、辅助供电单元、启动控制单元、过电压功率吸收单元和检测控制单元；所述检测控制单元、过电压保护单元和过电压功率吸收单元协同工作，吸收输入电压中掺杂的电压尖峰和电压浪涌，使输出至海底接驳盒的电压稳定不变；其中，

所述过电压保护单元，用于接收海底主基站通过扩展海缆输入的中压电源，吸收中压电源中高电压低能量的电压尖峰；

所述辅助供电单元，用于通过线性稳压将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压；

所述启动控制单元，用于输出矩形波至所述过电压功率吸收单元，从而使所述过电压功率吸收单元进入正常运行状态；

所述过电压功率吸收单元，用于在所述检测控制单元的控制下吸收过电压输入的低电压高能量的电压浪涌，使所述过电压保护装置输出的中压电源稳定后传输给海底接驳盒；

所述检测控制单元，用于监测所述过电压保护装置的输出电压，控制所述过电压功率吸收单元吸收电压浪涌直到过电压功率吸收单元的输出没有过电压浪涌；

所述检测控制单元为由比例积分电路和NPN开关管串联组成的电路，该比例积分电路由电阻、电容和运放串联组成；通过所述比例积分电路控制NPN开关管的导通时间以监测所述过电压保护装置的输出电压，控制所述过电压功率吸收单元持续工作直到没有过电压浪涌；

所述过电压功率吸收单元为由高压MOS管、保护二极管和驱动电阻并联组成的电路，该电路的输入端连接所述过电压保护单元的电路输出端，该电路的控制端分别连接所述启动控制单元的电路输出端和所述检测控制单元的电路输出端；所述过电压功率吸收单元将过电压保护单元输出端的浪涌电压施加在所述高压MOS管上，作为过电压功率吸收单元的输入端电压Vin；高压MOS管吸收过电压输入的低电压高能量的电压浪涌；

当Vin≤Vo时，高压MOS管工作在可变电阻区；

当Vin＞Vo时，高压MOS管工作在恒流区，高压MOS管吸收功率P为

P＝(Vin-Vo)×I

其中，Vo为钳位电压，Vin-Vo为高压MOS管吸收的电压差，I为电流值。

2.根据权利要求1所述的应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，其特征在于，所述过电压保护单元为由高压放电二极管、瞬态电压抑制二极管、高压电容和平衡电阻并联组成的电路，该电路的输入端通过扩展海缆连接至海底主基站的输出端。

3.根据权利要求1所述的应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，其特征在于，所述辅助供电单元为由消耗电阻、NPN三极管串联再和稳压二极管并联组成的电路；该电路通过线性稳压将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压；该电路还为所述启动控制单元和所述检测控制单元提供启动工作电源。

4.根据权利要求1所述的应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置，其特征在于，所述启动控制单元为由电阻、电容串联再和定时器并联组成的电路，该电路的输入端连接所述辅助供电单元的电路输出端；所述启动控制单元通过定时器控制输出矩形波至所述过电压功率吸收单元。

5.一种应用于海底观测网接驳盒的过电压保护方法，基于权利要求2-4之一所述的应用于海底观测网接驳盒的过电压保护装置实现，所述方法包括：

所述过电压保护单元接收海底主基站通过扩展海缆输入的中压电源，吸收中压电源中高电压低能量的电压尖峰；

所述辅助供电单元启动，将所述过电压保护单元输出的高电压转换为低电压，并为所述过电压保护装置提供启动工作电压；

所述启动控制单元输出矩形波至所述过电压功率吸收单元，从而使所述过电压功率吸收单元进入正常运行状态；

所述过电压功率吸收单元接收启动工作电压后进入正常工作模式，吸收过电压浪涌信号；

所述检测控制单元启动工作，通过监测所述过电压功率吸收单元的输出电压，控制过电压功率吸收单元持续工作直到过电压功率吸收单元的输出没有过电压浪涌，此时所述过电压功率吸收单元输出中压电源至海底接驳盒。

Images