具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器的制作方法

本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器。

背景技术：

海底观测网是实现对海底长期、实时、大范围原位观测的海底基础设施。持续稳定的电能供给、通讯是海底观测网是海底观测网长期运行的前提和基础。海底观测网主要由岸基站、海底主次接驳盒、海底仪器平台、光电复合海缆、分支器和中继器等组成。

分支器是连接主干海缆和分支海缆的枢纽节点，在系统扩展和保护方面发挥着不可替代的作用。海底光电复合缆作为能量和通讯的基础载体，在海底观测网架设时铺设在环境恶劣的海底，很大可能会频繁地发生故障。当主干缆或分支缆出现故障时，分支器应该具备隔离故障区域的能力，从而保证系统其余部分仍能正常运行。

目前已提出的用于海底观测网的分支器及海缆故障隔离方案在故障发生时，需要将整个观测网的电压降低，通过岸基发送指令控制分支器中开关单元的开断，从而实现故障隔离。该故障隔离方式在整个故障定位隔离过程中观测网将无法正常运行。同时，目前市场上还不存在用于海底观测网的分支器及有效可靠的故障隔离方法，无法满足大规模海底观测网建设的需求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明需要解决的技术问题是提出一种具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，以实现在快速隔离海缆故障或接驳盒故障的同时使得海底观测网剩余未发生故障部分仍维持正常运行。

本发明的技术方案是：所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，由监测与控制单元、高压电切换单元、供电单元和启动单元组成；其中：

所述监测与控制单元由三个电流传感器、电压传感器及微控制器组成，所述三个电流传感器两两通过高压电切换单元的高压电切换开关连接，所述二个电流传感器被测电流端口分别连接海底主干缆，第三个电流传感器被测电流端口连接海底分支缆，所述三个电流传感器输出端口分别连接至微控制器输入端口，用于监测高压电切换单元三端的电流，并将所测的电流数据输入所述微控制器；所述电压传感器被测电压端口连接至海底主干缆，所述电压传感器的输出端口连接至微控制器输入端口，通过分压的方式用于检测主干缆电压，并将所测的电压数据输入所述微控制器；所述微控制器输出端口连接至所述高压电切换单元，用于接收所述电流传感器与电压传感器的输出模拟量和岸基的控制信号，并根据所述电流传感器与电压传感器的输出模拟量或岸基的控制信号，控制高压电切换单元的状态；

所述高压电切换单元由四个高压电切换开关组成，所述高压电切换开关由n个串联的igbt（n≥2）、n个驱动控制电路（n≥2）、n个静态均压电阻（n≥2）、n个rcd缓冲均压电路（n≥2）、钳位吸收压敏电阻rmov和机械隔离开关s组成，所述n个串联的igbt通过串联的方式达到所需的高压电切换电压等级；所述n个驱动控制电路一一对应地连接至相应的igbt的门极，用于驱动igbt导通与关断；所述n个静态均压电阻一一对应地并联连接在igbt两端，用于使n个串联的igbt在开断后所承受的静态电压基本相同；所述rcd缓冲均压电路由电容、电阻和第一二极管组成，所述第一二极管与电阻并联连接后，与电容串联连接，所述n个rcd缓冲均压电路一一对应地并联在igbt两端，用于使n个串联的igbt在开断时所承受的动态电压基本相同；所述钳位吸收压敏电阻rmov并联连接在n个串联的igbt的首尾两端，用于钳位尖峰电压并吸收能量；所述机械隔离开关s连接在母线中，用于在所述n个igbt完全关断之后实现物理隔离；

所述供电单元由n个稳压二极管（n≥1）组成，串联连接入海底主干缆中，其输出端连接至监测与控制单元的电流传感器和高压电切换单元的电压传感器，用于获取海底主干缆中的电能给监测与控制单元和高压电切换单元供电；

所述启动单元由继电器sa、虚拟负载和第二二极管组成，所述继电器sa连接至所述虚拟负载，输入端连接至所述微控制器，用于启动后隔离虚拟负载，所述虚拟负载连接至第二二极管，所述第二二极管连接至设备外壳接地；所述启动单元用于为所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器启动时提供电流回路，从而为监控与控制单元提供能量。

本发明中，所述四个高压电切换开关中，高压电切换开关s1与高压电切换开关s4并联连接后接入海底主干缆，高压电切换开关s2与高压电切换开关s3接入海底分支缆，所述四个高压电切换开关互相首尾连接组成一个三角形。

本发明中，监测与控制单元的三个电流传感器分别连接端口a、端口b和端口c，端口a和端口b连接至海底主干缆，端口c连接至海底分支缆。

本发明中，所述电流传感器与电压传感器均为霍尔型传感器，所述微控制器为低功耗型微控制器，所述微控制器、电流传感器和电压传感器均为市售产品。

本发明中，所述高压电切换开关在微控制器下达关断指令后，所述n个串联的igbt在极短时间内完成关断操作，每个igbt所承受的电压基本相同，所述n个串联的igbt关断后，所述机械隔离开关s在无电流状态下断开，实现物理隔离，完成整个所述高压电切换开关的关断操作。

本发明中，所述n个串联的igbt（n≥2）均为相同型号的高压型igbt，能够承受数十安的电流，具备导通损耗低、关断导通延迟小、参数一致的特点，为市售产品；所述驱动控制电路采用1：n的变压器实现隔离，电路具有相同的参数，使得所述n个igbt的驱动信号差异尽可能小；所述n个静态均压电阻参数由所述n个igbt的最大漏电流与最小漏电流确定，使得n个igbt在关断后所承受的电压差异小于10%；所述n个rcd缓冲均压电路在保证n个igbt在关断时所承受的动态电压差异小于10%的条件下尽量选择容值小的电容；所述n个静态均压电阻和rcd缓冲均压电路具有相同的参数。

本发明中，所述继电器sa为常闭型固态继电器，所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器启动时，所述继电器sa处于闭合状态，岸基提供600v的电压，所述启动单元提供电流回路，所述供电单元获取电能为所述监测与控制单元供电，所述监测与控制单元控制高压电切换单元闭合，所述微控制器控制所述继电器sa断开隔离虚拟负载，岸基升压至10kv，所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器完成启动操作。

本发明提出的所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器的应用，用于海缆故障在线隔离，所述海缆在线故障隔离方法，包括以下步骤：

（1）：所述监测与控制单元通电并稳定运行，所述微控制器监测所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器主干缆上的电压ubu。

（2）：若ubu在[7000v，10000v]的范围内，则海缆无故障，所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器运行在正常模式。

（3）：若ubu<7000v，则海缆发生故障，所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器进入故障模式，所述微控制器采集三个节点的电流ia、ib和ic，其中ia、ic为海底主干缆中的电流，ib为海底分支缆中的电流；

（4）：若节点电流ia迅速增大，进行步骤5；若节点电流ia迅速下降，述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器前端海缆出现故障，分支器不采取任何动作；

（5）：若节点电流ib迅速增大，则海底分支缆发生故障，所述微控制器控制高压电切换开关s2与高压电切换开关s3两个与海底分支缆连接的高压电切换开关立即关断，隔离海底分支缆故障，进行步骤（7）；若节点电流ib迅速下降，该分支器后段海缆出现故障，进行步骤（6）；

（6）：根据采集到的所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器主干缆电压ubu，计算得到关断延迟t=ubu×时间常数c，并经过所计算的极短延迟后，再次采集此时主干缆上的电压ubu1，若ubu1恢复至[7000v，10000v]的范围内，则故障已在后段清除，所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器不采取关断动作，进行步骤（7）；若ubu1仍然小于7000v，则海底主干缆发生故障，所述微控制器控制与海底主干缆连接的高压电切换开关s1与高压电切换开关s4立即关断，隔离海底主干缆故障，进行步骤（7）；

（7）：采集此时主干缆上的电压ubu2，若ubu2恢复至[7000v，10000v]的范围内，故障完全清除；若ubu2<7000v，进行步骤（3）。

本发明的原理是：

本发明所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，在启动时通过启动电路提供电流回路，稳压二极管立即为监测与控制单元等内部电路供电，微控制器控制四个高压电切换开关闭合，海底观测网进入正常运行模式。所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器实时监测海底主干缆上的电压，一旦海底主干缆电压降低至非正常状态，进入分支器进入故障模式，通过分支器三个节点的电流变化及海底主干缆电压判断故障类型，微控制器根据故障类型发出指令关断对应的高压电切换开关，从而将海底观测网中的海缆故障隔离。

其中，高压电切换开关的原理如下：采用全固态开关实现高压电切换功能，通过多个igbt串联达到所需的耐压，针对多个igbt串联开断时出现的不均压现象，采用rcd缓冲电路实现igbt串联均压的目的。通过在串联的igbt两端并联一个压敏电阻，将高压电切换开关关断时的尖峰电压钳位在安全范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器能监测接入分支器的海底主干缆电压与分支器节点的电流值，通过特定的海缆故障隔离方法自动关断相应的高压电切换开关，在线实现海缆故障隔离，不需要降低岸基电压，故障隔离后系统立刻恢复正常运行状态，无故障部分设备仍正常运行，不会出现数据空档期。

本发明使用全固态开关实现高压电切换功能，隔离故障速度快，关断时无电弧，使用寿命长。

本发明连接海底主干缆和分支缆，实现了海底观测网接驳盒的并行连接，扩大了海底观测网的观测面积，提高了海底观测网的可扩展性。

附图说明

图1为本发明具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器的总体框图；

图2为高压电切换开关的结构框图；

图3为海缆故障隔离方法的工作流程图；

图4为海底主干缆接地故障时分支器工作状态图；

图5为海底分支缆接地故障的分支器工作状态图；

图中标号：1为电流传感器，2为电压传感器，3为微控制器，4为高压电切换开关，5为igbt，6为驱动控制电路，7为rcd缓冲均压电路，8为钳位吸收压敏电阻，9为机械隔离开关，10为稳压二极管，11为继电器，12为虚拟负载，13为二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例1：如图1所示，具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器包括监测与控制单元、高压电切换单元、供电单元和启动单元四个部分。监测与控制单元由三个电流传感器1、电压传感器2及微控制器3组成。三个电流传感器1被测电流端口分别连接至与接入具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器的两段海底主干缆和海底分支缆，输出端口连接至微控制器3输入端口，用于监测分支器三个节点的电流并将所测的电流数据输入微控制器。电压传感器2被测电压端口连接至接入分支器的海底主干缆，输出端口连接至微控制器3输入端口，通过分压的方式用于检测分支器的主干缆电压并将所测的电压数据输入所述微控制器3。微控制器3输出端口连接至高压电切换单元，其根据所述电流和电流传感器的输出模拟量或岸基的控制信号识别海缆故障模式，控制高压电切换单元的开关状态，隔离海缆故障部分。高压电切换单元由四个高压电切换开关4组成，高压电切换开关s1与高压电切换开关s4接入海底主干缆，高压电切换开关s2和高压电切换开关s3接入海底分支缆，四个高压电切换开关相互首尾连接组成一个三角形，切断高压电切换开关s1与高压电切换开关s4隔离海底主干缆断路故障，切断高压电切换开关s2和高压电切换开关s3隔离海底分支缆接地故障。供电单元由n个稳压二极管（n≥1）组成，串联接入海底主干缆，输出端连接至监测与控制单元和高压电切换单元，用于获取海底主干缆中的电能给监测与控制单元和高压电切换单元供电。用于具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器端口a和b连接至海底主干缆中，端口c连接至海底分支缆中。

高压电切换开关4如图2所示，高压电切换开关4由n个串联的igbt5（n≥2）、驱动控制电路6、n个静态均压电阻、n个rcd缓冲均压电路7、钳位吸收压敏电阻8rmov和机械隔离开关s9组成。采用全固态开关的方式实现高压电切换，通过n个串联的igbt5达到所需的电切换电压等级，微控制器3输出端口连接至驱动控制电路6，驱动控制电路6一一对应的连接至igbt5的门极，用于驱动igbt5。通过在每个igbt5两端并联均压电阻的方式使得n个串联的igbt5在开断之后所承受的静态电压基本相同。相应的，通过由电容、电阻和第一二极管组成的rcd缓冲均压电路7使得n个串联的igbt5在开断时所承受的动态电压基本相同。钳位吸收压敏电阻8rmov并联连接在n个串联的igbt5的首尾两端，通过其将关断时的尖峰电压钳位在安全范围内。最后，通过串联连接在母线中的机械隔离开关s9在n个串联的igbt5完全关断之后实现物理隔离。

本发明海缆故障在线隔离功能通过储存于微控制器中的控制程序实现，具体流程图如图3所示。海底观测网正常工作时，岸基输出电压为7000v至10000v，供电电路为监测与控制单元供电，微控制器3通过电压传感器1采集的模拟量实时监测分支器主干缆上的电压ubu。若ubu在[7000v，10000v]的范围内，海缆无故障发生，观测网运行在正常工作状态，分支器不采取任何开断动作。若ubu<7000v，则海缆发生故障，分支器进入故障模式，微控制器3采集三个节点的电流ia、ib和ic，其中ia、ic为海底主干缆上的电流，ib为海底分支缆中的电路。若节点电流ia迅速下降，说明接地故障发生在该分支器前端，该分支器被接地，分支器不采取任何动作。若节点电流ia迅速增大，则可能发生分支缆或主干缆故障，需要根据其他数据量进行进一步判断。若节点电流ib迅速增大，说明海底分支缆发生故障，微控制器控制高压电切换开关s2与高压电切换开关s3两个与海底分支缆连接的高压电切换开关立即关断，隔离海底分支缆故障。若节点电流ib迅速下降，该分支器后段海缆出现接地故障，根据采集到的分支器主干缆电压ubu，计算得到关断延迟t=ubu×时间常数c，并经过所计算的极短延迟后，采集此时分支器主干缆上的电压ubu1，若ubu1恢复至[7000v，10000v]的范围内，则故障已在后段清除，分支器不采取关断动作。若ubu1仍然小于7000v，则海底主干缆发生故障，微控制器控制与海底主干缆连接的高压电切换开关s1与高压电切换开关s4立即关断，隔离海底主干缆故障。在完成相应高压电切换开关关断操作后，再次采集此时分支器主干缆上的电压ubu2，若ubu2恢复至[7000v，10000v]的范围内，故障完全清除，若ubu2<7000v再次重复以上故障诊断操作。

海底观测网海底主干缆发生接地故障时分支器工作状态如图4所示，当海底主干缆发生接地故障时，离故障点最近的前端分支器的高压电切换开关s1与高压电切换开关s4断开，从而隔离后端海底主干缆接地故障，后端的分支器由于无电流回路，供电单元和监测与控制单元停止工作，高压电切换开关均在零电压电流条件下断开。

海底观测网海底分支缆发生接地故障时分支器工作状态如图5所示，当海底分支缆发生接地故障时，离故障点最近的分支器中高压电切换开关s2与高压电切换开关s3断开，从而隔离海底分支缆接地故障，其余海底观测网部分正常工作。

本发明中，高压电切换开关在微控制器下达关断指令后，n个串联的igbt在极短时间内完成关断操作，每个igbt所承受的电压基本相同，在n个串联的igbt关断后，所述机械隔离开关s在无电流状态下断开，实现物理隔离，完成整个所述高压电切换开关的关断操作。

本发明中，为了减小n个igbt关断时的不均压现象，所选n个igbt均为同型号的高压型igbt，通过串联达到10kv的耐压等级，一般串联后的总耐压为岸基电压的2倍，且能够承受数十安的电流，具备导通损耗低、关断导通延迟小、参数一致的特点，为市售产品。为了保持驱动信号的一致性，驱动控制电路采用1：n的变压器实现隔离，电路具有相同的参数。静态均压电阻与rcd缓冲均压电路参数选取需保证n个igbt在关断时所承受的动态电压与静态电压差异小于10%，同时在该条件下尽量使得能量损耗小，n个静态均压电阻和rcd缓冲均压电路具有相同的参数。

本发明中，监测与控制单元中电流传感器与电压传感器均为霍尔型传感器，微控制器为低功耗型微控制器，微控制器、电流传感器和电流传感器均为市售产品。

本发明中，继电器sa为常闭型固态继电器，用具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器启动时，继电器sa处于闭合状态，岸基提供600v的电压，启动单元提供电流回路，供电单元获取电能为监测与控制单元供电，监测与控制单元控制高压电切换单元闭合后，控制器控制继电器sa断开隔离虚拟负载，岸基升压至10kv，分支器完成启动操作。