中海油渤海通訊公司 張武健 斯江平 鄭治
近幾年來(lái)，隨著海洋石油在海上勘探、開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，海上鉆采生產(chǎn)對(duì)通信的要求越來(lái)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(tái)應(yīng)急、安全的重要保證。船用UPS就是要對(duì)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(duì)船臺(tái)是非常重要的。
一般的進(jìn)口鉆井平臺(tái)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(duì)負(fù)荷而言，設(shè)計(jì)冗余偏小，經(jīng)常造成供電電壓波動(dòng)大。然而，普通UPS在鉆井平臺(tái)使用中常會(huì)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(duì)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(tái)供電環(huán)境的特點(diǎn)
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，鉆井平臺(tái)與陸地供電環(huán)境有很大的不同，主要表現(xiàn)在于：船電無(wú)接地系統(tǒng)；鉆井平臺(tái)電站容量小，相對(duì)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(tái)的供電頻率變化大，而且標(biāo)稱頻率也有區(qū)別等。
可見(jiàn)鉆井平臺(tái)短波通信對(duì)電源有著特殊的要求，鉆井平臺(tái)短波通信系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)的空間限制所有的通信設(shè)備都必須集中在報(bào)房?jī)?nèi)，不可能有足夠的空間距離，所以對(duì)短波通信設(shè)備來(lái)說(shuō)，必須解決電源的電磁兼容問(wèn)題。
二、解決的方法與途徑
針對(duì)以上存在的問(wèn)題，分析普通陸用UPS和鉆井平臺(tái)的UPS工作環(huán)境，對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)EMI沒(méi)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�？紤]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(guò)壓保護(hù)、過(guò)零檢測(cè)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(guò)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(wèn)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(cè)試方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有的電磁干擾測(cè)試都是在大于3m距離的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行的，與報(bào)房的空間相比顯然測(cè)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(cè)報(bào)告，很顯然廠商給出了不完整的檢測(cè)報(bào)告，即對(duì)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(chǎng)騷擾的限值是：A類UPS 12-1.5dB（μV/m）；B類UPS 0-（-10.5）dB（μV/m）。測(cè)試條件是：用環(huán)行天線，在3m距離處測(cè)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(guò)分析比較，在定型的UPS產(chǎn)品中選擇適合鉆井平臺(tái)使用的UPS比較困難，必須針對(duì)上面的問(wèn)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(guò)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(hào)鉆井平臺(tái)UPS為例進(jìn)行說(shuō)明。渤海十號(hào)鉆井平臺(tái)通信用UPS是以前船上安裝性能最好的一種。它是美國(guó)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(chǎng)測(cè)量分析后結(jié)論如下：
①測(cè)試中發(fā)現(xiàn)輸出正弦波形嚴(yán)重失真。②UPS機(jī)殼對(duì)平臺(tái)的保護(hù)“地”之間有96V的電位差，使UPS機(jī)殼不能與平臺(tái)“地”線相接，這說(shuō)明船電無(wú)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(guò)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(hào)報(bào)房中UPS和SKANT8757單邊帶電臺(tái)之間距離僅1m，前面提到的測(cè)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(hào)平臺(tái)上的美國(guó)UPS設(shè)備使用不到五年，設(shè)備無(wú)論外觀還是機(jī)內(nèi)都已嚴(yán)重腐蝕，無(wú)維修價(jià)值。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(tái)的船用特種通信UPS電源，已于近期在渤海十號(hào)鉆井平臺(tái)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(jí)濾波器，以隔離電源干擾；在電池的輸入端加單級(jí)濾波器，防止通過(guò)電池輻射；在UPS輸出端加裝4級(jí)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(jí)隔離，安全可靠性增強(qiáng)；機(jī)殼對(duì)輸入輸出均隔離以保證機(jī)殼能與船臺(tái)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(wú)“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(jí)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(jiàn)表2。
綜上所述，渤海海上鉆井平臺(tái)通信特種UPS的使用徹底改善了渤海十號(hào)通信用電質(zhì)量，使報(bào)房?jī)?nèi)UPS和通訊設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題得到了根本解決，同時(shí)也使系統(tǒng)的可靠性有了保證。
