具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器制造技术

本发明专利技术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，其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。本发明专利技术通过全固态开关实现高压电切换功能，能够实时监测分支器的海底主干缆电压，在海缆发生接地故障时通过监测与控制单元中微控制器内部实现的海缆故障隔离方法，自动识别故障模式并控制切断高压电切换开关，快速在线地隔离故障海缆段。本发明专利技术具有故障自动识别和隔离速度快等特点，可为海底观测网的长期运行提供保障。

【技术实现步骤摘要】
具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器
本专利技术属于海洋观测
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术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，则海底分支缆发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，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，其特征在于：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高压传感器，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。...

【技术特征摘要】
1.一种具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，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，其特征在于：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高压传感器，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。2.根据权利要求1所述的具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，其特征在于，所述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，所述微控制器为低功耗型微控制器。5.根据权利要求1所述的具有快速继电保护的海底观测网高压电切换型分支器，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕枫，郑劭铎，周怀阳，林实俊，耿坤，黄龙翔，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31