中海油渤海通訊公司 張武健 斯江平 鄭治
近幾年來,隨著海洋石油在海上勘探、開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,海上鉆采生產(chǎn)對通信的要求越來越高,除常規(guī)的短波通信設(shè)備外,TES衛(wèi)星系統(tǒng)、程控交換機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等通信手段在海上作業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。通信是生產(chǎn)和指揮系統(tǒng)的中樞,也是船臺應(yīng)急、安全的重要保證。船用UPS就是要對上述設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)、可靠的不間斷電源,所以通信電源系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性對船臺是非常重要的。
一般的進(jìn)口鉆井平臺電源是由船用發(fā)電機(jī)提供的,而且采用60Hz頻率,發(fā)電機(jī)的容量對負(fù)荷而言,設(shè)計(jì)冗余偏小,經(jīng)常造成供電電壓波動大。然而,普通UPS在鉆井平臺使用中常會出現(xiàn)以下情形:UPS不能正確跟蹤供電頻率以及UPS電源工作時(shí)嚴(yán)重干擾短波通信等,更為嚴(yán)重的是UPS在使用中經(jīng)常損壞。這樣就對正常的通信和安全保障工作造成了很大的威脅。
一、鉆井平臺供電環(huán)境的特點(diǎn)
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),鉆井平臺與陸地供電環(huán)境有很大的不同,主要表現(xiàn)在于:船電無接地系統(tǒng);鉆井平臺電站容量小,相對載荷有時(shí)變化較大,電壓存在大范圍陡升陡降的變化;負(fù)載類型復(fù)雜,電源波形畸變大且有寄生脈沖等干擾存在;鉆井平臺的供電頻率變化大,而且標(biāo)稱頻率也有區(qū)別等。
可見鉆井平臺短波通信對電源有著特殊的要求,鉆井平臺短波通信系統(tǒng)對電源的要求除了一般指標(biāo)以外,還有更高的要求:(1)要求干擾小,短波通信對環(huán)境的要求高是因?yàn)槎滩ń邮諜C(jī)的靈敏度高(1μv以下),接收頻率相對其他通信設(shè)備更容易受到干擾;(2)空間小,通信設(shè)備的布局受空間限制,因?yàn)殂@井平臺的空間限制所有的通信設(shè)備都必須集中在報(bào)房內(nèi),不可能有足夠的空間距離,所以對短波通信設(shè)備來說,必須解決電源的電磁兼容問題。
二、解決的方法與途徑
針對以上存在的問題,分析普通陸用UPS和鉆井平臺的UPS工作環(huán)境,對比后發(fā)現(xiàn):(1)陸上供電系統(tǒng)都有接地系統(tǒng);(2)陸上供電頻率是固定的而且較穩(wěn)定;(3)普通UPS電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)低,而且目前國內(nèi)對EMI沒有作為強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。在上述原因中,(1)、(2)兩項(xiàng)是引起設(shè)備故障的主要原因。考慮到電源接地體制是與各項(xiàng)保護(hù)措施密切相關(guān)的,其中包括濾波器的平衡設(shè)計(jì)、過壓保護(hù)、過零檢測等環(huán)節(jié),而在線式UPS的工作頻率是與電網(wǎng)頻率同步的,即跟蹤電網(wǎng)頻率,一般情況下跟蹤的范圍是一定的。如果電網(wǎng)的工作頻率超過UPS的跟蹤范圍,UPS便作出相應(yīng)反映并——進(jìn)入BAYPASS狀態(tài),此時(shí)便有可能出現(xiàn)“環(huán)流”;而在第(3)項(xiàng)中,電磁兼容更是一個(gè)復(fù)雜的問題,首先是前面提到的EMI標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況。另外研究相關(guān)測試方法時(shí)發(fā)現(xiàn),所有的電磁干擾測試都是在大于3m距離的測試點(diǎn)進(jìn)行的,與報(bào)房的空間相比顯然測試條件不適用于這種環(huán)境,而且不但存在UPS干擾短波通信接收,同時(shí)短波發(fā)射也干擾UPS的正常工作。
表1是UPS廠商提供的EMI檢測報(bào)告,很顯然廠商給出了不完整的檢測報(bào)告,即對我們最關(guān)心的頻率段1~30MHz略去了。查找相關(guān)資料有1~30MHz的磁場騷擾的限值是:A類UPS 12-1.5dB(μV/m);B類UPS 0-(-10.5)dB(μV/m)。測試條件是:用環(huán)行天線,在3m距離處測試,此限值適用于額定輸出電流小于或等于25A的UPS電源。
通過分析比較,在定型的UPS產(chǎn)品中選擇適合鉆井平臺使用的UPS比較困難,必須針對上面的問題進(jìn)行專門設(shè)計(jì),而且必須滿足以下要求:1)充電器、逆變器和控制器:要求工作頻率(50、60Hz可選)60Hz±10%;工作電壓:額定輸入電壓220V±20%,額定輸出電壓220V±3%,且輸出正弦波。2)電路平衡設(shè)計(jì):要求適應(yīng)船舶供電環(huán)境即不接地系統(tǒng)。3)電磁兼容設(shè)計(jì):包括解耦設(shè)計(jì)、濾波器選擇、屏蔽措施等,必要時(shí)使用雙層金屬外殼屏蔽。由于我們自己設(shè)計(jì)制造受到各種條件限制,不宜采用。所以必須選擇合適的廠家,委托設(shè)計(jì)制造,樣機(jī)出廠后進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行考驗(yàn)。經(jīng)過協(xié)商、考察,大連船舶電器廠有能力設(shè)計(jì)并生產(chǎn)適用于船舶環(huán)境應(yīng)用的UPS電源。
下面就以渤海十號鉆井平臺UPS為例進(jìn)行說明。渤海十號鉆井平臺通信用UPS是以前船上安裝性能最好的一種。它是美國FE公司生產(chǎn)的,額定工作頻率60Hz,額定功率4.3kvA。但UPS干擾SKANIT 8757(一種單邊帶通信設(shè)備)單邊帶接收機(jī)正常工作,現(xiàn)場測量分析后結(jié)論如下:
①測試中發(fā)現(xiàn)輸出正弦波形嚴(yán)重失真。②UPS機(jī)殼對平臺的保護(hù)“地”之間有96V的電位差,使UPS機(jī)殼不能與平臺“地”線相接,這說明船電無電氣“0”線與普通市電的三相四線(有電氣“0”線)之間有差別。而由于機(jī)殼不接地,逆變器工作過程中產(chǎn)生的高頻分量得不到有效屏蔽,使輻射干擾明顯增加。③渤海十號報(bào)房中UPS和SKANT8757單邊帶電臺之間距離僅1m,前面提到的測試條件顯然和實(shí)際工作環(huán)境不符,即電磁干擾要求比標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷的多。④海洋氣象環(huán)境和船上的特殊負(fù)載環(huán)境都比陸上惡劣。渤海十號平臺上的美國UPS設(shè)備使用不到五年,設(shè)備無論外觀還是機(jī)內(nèi)都已嚴(yán)重腐蝕,無維修價(jià)值。
根據(jù)現(xiàn)場測試和分析大連市船用電器廠專門設(shè)計(jì)并生產(chǎn)適合于鉆井平臺的船用特種通信UPS電源,已于近期在渤海十號鉆井平臺投入試運(yùn)行,到目前為止運(yùn)行情況良好。設(shè)計(jì)方案中的幾點(diǎn)技術(shù)措施分別如下。
該廠生產(chǎn)的UPS其技術(shù)總原則是,封兩端、罩中間、電路平衡以及船用標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)。具體措施是:在UPS輸入端加雙級濾波器,以隔離電源干擾;在電池的輸入端加單級濾波器,防止通過電池輻射;在UPS輸出端加裝4級濾波器,以減弱傳導(dǎo)干擾;在UPS輸出端加隔離變壓器,在減弱高頻干擾的同時(shí)可將負(fù)載與逆變器功率輸出級隔離,安全可靠性增強(qiáng);機(jī)殼對輸入輸出均隔離以保證機(jī)殼能與船臺保護(hù)“地”有效連接;UPS總體采用平衡設(shè)計(jì)以適應(yīng)船電無“0”線的電環(huán)境;機(jī)殼采用雙層結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)雙層屏蔽,用以減小輻射干擾;整機(jī)按船用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),外殼防護(hù)等級為IP20;電池備用時(shí)間大于30分鐘,實(shí)際可達(dá)1.5小時(shí);逆變器設(shè)計(jì)輸出波形失真小于3%。UPS電氣性能指標(biāo)見表2。
綜上所述,渤海海上鉆井平臺通信特種UPS的使用徹底改善了渤海十號通信用電質(zhì)量,使報(bào)房內(nèi)UPS和通訊設(shè)備的電磁兼容問題得到了根本解決,同時(shí)也使系統(tǒng)的可靠性有了保證。