一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法与流程

本发明涉及地球物理勘探领域，具体为一种为近海底发射机提供超大功率电力保证的方法，旨在电磁发射机在工作时能够有充足的电力来源以保证整个系统的顺利运行。

背景技术：

19世纪80年代，爱迪生建立了世界上第一个直流输电系统，但由于缺少直流变压技术，直流输电的局限性很大。90年代，交流电可以高压传输的优势显现出来，这大大减少了线路上的能量损耗。直到20世纪50年代，随着换流技术的逐渐成熟，高压直流输电才重新进入了人类的视野。到21世纪，电力电子技术的飞速发展，柔性直流输电得到了发展。

近半个多世纪以来，随着传统地球物理勘探方法的局限性越来越明显，海洋电磁方法逐渐成为发现海底油气资源以及基础地学研究的重要手段之一，并且凸显出了极高的经济效益和学术价值。海洋可控源电磁探测装备是实施海洋电磁方法的一个重要载体。

海洋电磁发射系统是海洋可控源电磁探测装备的重要组成部分，分为船载升压单元，传输电缆和水下发射机，是一套大功率的电力电子设备，如何确保充足和稳定的电能从船上传输至近海底的水下发射机是发射系统设计的重要一环。传统的方法是利用高压交流输电，即船载升压单元将发电机产生的380v工业用电升压至3000v乃至更高的交流电，通过传输电缆将交流电传输到最深4000米深的近海底水下发射机，以达到减少电能在线缆上的损耗，提高传输至近海底水下发射机大功率电能的目的。但是海洋是电磁波传导的优良介质，交流输电的交变电场产生交变的磁场，向外辐射电磁波，造成大量的电能损耗，同时万米深拖缆的电感也会引起交流电能的传输损耗，特别是针对水下设备对体积要求较高，在维持传输功率不变，通过增大传输频率来降低设备体积的情况下，会增大传输电缆上的感抗，致使电能传输效率变低。伴随着国家对海洋资源勘探精度和深度需求的提高，对于发射系统来说，只有提高水下发射机的输出电流，在负载电阻不变的情况下，输出电流的提高意味着输出功率的提高，这对电能传输提出了更高的要求，传统的交流输电由于传输电缆上的感抗和阻抗引起的传输效率低下，在船载发电机满负荷运行的情况下，依然不能提供传输至海底发射机满足更高级别发射电流所需的功率，同时交流传输系统中传输电缆的电感引起的无功功率也会对设备照成损害，特别是多相交流系统，容易产生相间电流不平衡的问题，同样会对设备造成损害。

技术实现要素：

本发明主要着眼于解决电能传输在万米深拖缆中由于感抗和向外辐射电磁波引起的电能损耗，提高传输效率，发挥直流输电的巨大优势，实现了作业母船通过深拖缆为近海底移动的方舱提供电能，满足了大功率海洋可控源电磁发射机的供电需求。通过海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法来为近海底水下发射机提供稳定充足的电能，进而对传统海洋可控源电磁发射系统输送电能的方法进行创新。本发明提出了在海洋电磁发射系统中应用一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，鉴于直流电产生稳定的磁场，不向外辐射电磁波的优点，电能损耗大大降低。这不但可以解决交流输电电能不足的问题，也为优化发射系统整体结构提供了可能。适用于对有较大功率需求的海洋工程应用和资源勘探。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，包括发电机、甲板电源端一级整流装置、甲板电源端逆变装置、甲板电源端升压变压器、甲板电源端二级整流装置、直流输配电海洋电缆、水下电源端逆变装置、电抗器及水下变压装置和水下发射机整流逆变单元；发电机输出380v/50hz的交流电源给甲板电源端一级整流装置，经甲板电源端一级整流装置整流输出540v直流电源给甲板电源端逆变装置，经甲板电源端逆变装置输出0-1000v可调交流电压给甲板电源端升压变压器，经甲板电源端升压变压器输出25kv交流电源给甲板电源端二级整流装置，经甲板电源端二级整流装置输出25kv直流电源经长距离直流输配电海洋电缆给水下电源端逆变装置，经水下电源端逆变装置输出高压交流给电抗器及水下变压装置，经电抗器及水下变压装置输出低压交流给水下发射机整流逆变单元供电。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其发电机容量不小于2000kva，输出为380vac/50hz交流电源。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其甲板电源端逆变装置输出电压为0～1000v，频率为400hz、800hz或1000hz之一的交流电源。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其甲板电源端一级整流装置和二级整流装置采用三相桥式全控整流电路，使用igbt代替非可控的整流二极管，由4-8只igbt进行串联实现25kv的整流；通过驱动电路和阻容二极管有源均压法配合使用实现igbt通断的同步和均压，其中电阻r2和r3为分压电阻，他们与分压电容c1和c2并联且连接在igbt的发射极和集电极，分压电阻r2和r3之间与igbt门极之间串联有电阻r1和二极管d1，其中二极管d1的阳极与电阻r2和r3相连，电阻r2大于r3，电容c1大于c2；由此可以实现4-8只igbt的动态均压以及实时控制并调整整流装置的输出效果，在实时调节控制电压和功率因数的同时，也能起到实时监控的作用。在选用igbt模块和二极管时选用同批次的产品。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，经甲板电源端二级整流装置，25kv交流电通过整流后变为直流，再通过吸收电容构成的滤波电路和滤波保护电路消除电路中的谐波分量。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，水下电源端逆变装置采用单相全桥逆变方式加单相电抗器的方式，减少了元器件数量节省空间。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，装载水下电源端逆变装置、单相电抗器以及水下变压装置的方舱具备耐受4000米水深的压力，并且具有良好的绝缘和散热性能。方舱跟随着作业母船的移动，实现为海洋可控源电磁发射机的移动供电。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，直流输配电海洋电缆采用耐压值不小于25kv的直流传输电缆。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，水下变压装置采用与甲板电源端逆变装置输出频率一致的中频变压器，即为400hz、800hz或1000hz之一频率的中频变压器。

本发明采用以上技术方案与传统的交流输电相比，输电效率明显提高。传统的传输电缆由于存在阻抗和感抗，总阻抗高达上百欧姆，由公式p＝i²r可知，由此造成的电能损耗将近500kw，并且，由于海水是电磁波传导的优良介质，电能将进一步大量损耗。本发明便不存在电磁损耗，万米缆回路不存在感抗，总阻抗在50欧姆左右，总电能传输损耗180kw左右，节省电能近320kw。

具体来说，在海洋电磁发射系统中应用超高压直流远程输配电方法有如下主要技术优势：

1、交流电缆改用直流电缆，可以承受更大电流，进而可以传输更高的功率，从而保证在进一步减小电能的损耗的同时，提高了发射系统最后的发射电流。

2、直流输电线两端的交流系统不需要同步运行，因此可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系。由于变压器是一个体积大，重量大的设备，但是变压器的体积随着交流电频率的增加而减小，因此这样的好处是可以在水下一侧逆变时尽可能提高频率以减小变压器的体积，为水下发射机设计节省空间。

3、整流设备中采用igbt或晶闸管代替非可控整流二极管，以实现对整流设备的可控，igbt模块可以自由控制电压及功率因数。

4、一直以来，利用三相电能在输电过程中加上负载后都存在三相不平衡问题，这对负载和变压器都存在不良影响，甚至会影响设备的使用寿命。通过采用直流输电法，在水下端的逆变电路中可以直接使用单相逆变电路，因此在变压器以及电抗器的应用过程中就彻底解决了三相不平衡的问题。

5、水下电源端逆变装置，单相电抗器以及水下变压装置置于可耐4000米水深的压力并且绝缘和散热良好的方舱内。方舱具有良好的绝缘和散热功能，极大地提高了安全性。

本发明的有益效果是大大降低了长距离传输的电能损耗，并且减小了发射机的体积，提高了长距离电能传输的功率和效率，有效保障了发射机在海底的电能需求，同时彻底解决了三相不平衡的问题。

附图说明

图1为本发明海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法原理图。

图2为阻容二极管有源均压法电路图。

图3为整流装置的原理框图。

图4为单相全桥逆变装置电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-4所示，本发明一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，包括发电机、甲板电源端一级整流装置、甲板电源端逆变装置、甲板电源端升压变压器、甲板电源端二级整流装置、直流输配电海洋电缆、水下电源端逆变装置、电抗器及水下变压装置和水下发射机整流逆变单元；发电机输出380v/50hz的交流电源给甲板电源端一级整流装置，经甲板电源端一级整流装置整流输出540v直流电源给甲板电源端逆变装置，经甲板电源端逆变装置输出0-1000v可调交流电压给甲板电源端升压变压器，经甲板电源端升压变压器输出25kv交流电源给甲板电源端二级整流装置，经甲板电源端二级整流装置输出25kv直流电源经长距离直流输配电海洋电缆给水下电源端逆变装置，经水下电源端逆变装置输出高压交流给电抗器及水下变压装置，经电抗器及水下变压装置输出低压交流给水下发射机整流逆变单元供电。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其发电机容量不小于2000kva，输出为380vac/50hz交流电源。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其甲板电源端逆变装置输出电压为0～1000v，频率为400hz、800hz或1000hz之一的交流电源。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其甲板电源端一级整流装置和二级整流装置采用三相桥式全控整流电路，使用igbt代替非可控的整流二极管，由4-8只igbt进行串联实现25kv的整流；通过驱动电路和阻容二极管有源均压法配合使用实现igbt通断的同步和均压，其中电阻r2和r3为分压电阻，他们与分压电容c1和c2并联且连接在igbt的发射极和集电极，分压电阻r2和r3之间与igbt门极之间串联有电阻r1和二极管d1，其中二极管d1的阳极与电阻r2和r3相连，电阻r2大于r3，电容c1大于c2；由此可以实现4-8只igbt的动态均压以及实时控制并调整整流装置的输出效果，在实时调节控制电压和功率因数的同时，也能起到实时监控的作用。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，经甲板电源端一级整流装置25kv交流电通过整流后变为直流，再通过吸收电容构成的滤波电路和滤波保护电路消除电路中的谐波分量。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，水下电源端逆变装置采用单相全桥逆变方式加单相电抗器的方式，减少了元器件数量节省空间。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，装载水下电源端逆变装置、单相电抗器以及水下变压装置的方舱具备耐受4000米水深的压力，并且具有良好的绝缘和散热性能。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，直流输配电海洋电缆采用耐压值不小于25kv的直流传输电缆。

所述一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，其特征在于：水下变压装置采用与甲板电源端逆变装置输出频率一致的中频变压器，即为400hz、800hz或1000hz之一频率的中频变压器。

实施例：

一种海洋可控源电磁超高压直流远程输配电方法，包括发电机、甲板电源端一级整流装置、甲板电源端逆变装置、甲板电源端升压变压器、甲板电源端二级整流装置、直流输配电海洋电缆、水下电源端逆变装置、电抗器及水下变压装置和水下发射机整流逆变单元；发电机输出380v/50hz的交流电源给甲板电源端一级整流装置，经甲板电源端一级整流装置整流输出540v直流电源给甲板电源端逆变装置，经甲板电源端逆变装置输出0-1000v可调交流电压给甲板电源端升压变压器，经甲板电源端升压变压器输出25kv交流电源给甲板电源端二级整流装置，经甲板电源端二级整流装置输出25kv直流电源经长距离直流输配电海洋电缆给水下电源端逆变装置，经水下电源端逆变装置输出高压交流给电抗器及水下变压装置，经电抗器及水下变压装置输出低压交流给水下发射机整流逆变单元供电。

超大功率发电机容量为2000kva，输出380vac/50hz，甲板电源端大功率逆变装置可以输出电压为0～1000v，频率达到中频的可调交流电压。采用2000kva容量的甲板电源端升压变压器将电压升高到25kv交流输出。由于本发明所提供的电能要供给电磁发射机发射超大电流，总发射功率高达1450kw，功率较大，因此降低电缆上的电能损耗尤为关键，并且电缆上的载流不能超过直流电缆的载流限度，电缆最大载流60a，缆上阻抗大约50ω。本发明升高电压至25kv，缆上消耗功率180kw。

p＝i²r(其中i为电缆最大载流，r为阻抗。)

超高压直流远程输配电方法的甲板电源端整流装置采用三相桥式全控整流电路，用igbt或者晶闸管代替非可控的整流二极管，由于当前igbt最高耐压为6500v，要实现25kv的整流需对8只igbt进行串联。通过驱动电路和阻容二极管有源均压法(如图2所示)配合使用实现igbt通断的同步和均压，可以实现8只igbt的均压以及实时控制并调整整流装置的输出效果，在实时调节控制电压和功率因数的同时，也能起到实时监控的作用。在选用igbt模块和二极管时选用同批次的产品。如采用晶闸管，当前晶闸管耐压可满足本发明的需求，但是不能实现实时可控。25kv交流电通过整流电路后变为直流。再通过吸收电容构成的滤波电路消除电路中的谐波分量。整流装置的原理框图如图3所示。其中电抗器的作用是限制电路中的短路电流和高次谐波，维持整个系统的稳定和安全，由于本发明的电流较大，采用直接定制的三相电抗器。并且，在水下发射机中也需要安置电抗器。

水下电源端大功率逆变装置采用的是单相全桥逆变方式，这样相比三相全桥逆变能够减少大功率器件的数量，后级的降压变压器只需采用单相变压器，不存在三相不平衡的缺点，另一方面，直流输电具有输电线两端的交流系统无需同步运行的特点，再者，在逆变装置的驱动电路中尽可能地提高逆变的频率可以降低变压器的体积，节省水下设备的空间，为重新调整器件布局提供了方便。逆变装置的原理框图如图4所示。图4中电抗器不同于甲板电源的电抗器，此处为单相电抗器，后级的变压器采用中频变压器，运行频率为1khz，中频变压器在减轻变压器本身质量与体积的基础上，依然能够提供良好的性能。电能通过降压中频变压器降压后，供给发射机使用。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。