CN105655895B - 海底中压直流配电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海底中压直流配电装置，包括内部功能单元和耐压密封腔体，所述内部功能单元安装在耐压密封腔体内，所述耐压密封腔体由前端盖、筒体和后端盖依次连接组成，所述前端盖上安装有第一水密连接器和第二水密连接器，所述的内部功能单元包含散热支架以及所述的散热支架上安装的外部接口供电控制模块、外部接口状态检测模块、第一中低压直流变换模块、中压总线监控模块、第二中低压直流变换模块、内部环境状态监测模块、内部负载监控模块、以太网交换机和PC/104主控制器。本发明实现了灵活控制电能分配和监控自身运行状态，结构简单且散热性能优良，能适用于大体积、大功率等各种应用场合，可有效降低内部功能电路的环境温度，提高长期运行的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于海底电力技术领域，涉及一种海底中压直流配电装置，具体说是一种将海底变电站输出的中压直流电能分配给各个海底用电负荷的装置。
背景技术
当前在海洋科学研究、灾害预警和资源开发等领域中，海底设备数量越来越多、覆盖范围越来越广、运行功耗越来越大以及连续运行时间越来越长。因此，传统的船基海洋探测方式已难以满足需求，只有通过特殊的海底电网才能解决大量海底设备的持续电能供给难题。在此类海底电网中，海底高压直流变电装置为第一级降压装置，负责将输送至海底的数千伏的高压直流电先原位变换为400V左右的中压直流电后，再提供给海底中压直流配电装置，由海底中压直流配电装置将该中压直流电能按需分配给各个海底用电负荷。
现有装置对用电负荷电能分配的可控性低，且对自身运行状态监控的能力弱。此外，现有装置普遍采用了传统的端盖散热、自然贴紧散热、弹性贴紧散热和充油散热四种方式：由于海底耐压密封腔体通常为中空长圆柱体结构，端盖上通常安装水密连接器，因此可利用的端盖面积极为有限，端盖散热方式的应用面窄，腔体内部的安装空间利用率低；自然贴紧散热方式的效果依赖内部散热支架和腔体内壁之间的有效接触，两者配合越紧，散热效果越好，但会造成装配极为困难，且加工工艺通常难以满足要求；弹性贴紧散热方式依赖弹性结构使内部散热支架和腔体内壁之间的接触良好，由于大型装置的内部支架自重大，对弹性结构的设计要求高，且因弹性系数大导致安装困难；充油散热方式是在腔体内充满对流散热用的绝缘油，散热效果较好，但施加在腔体内功能电路及密封结构上的压力会随着油温上升而增大，因此必须设置较大的油压补偿器，大大降低了腔体内部的安装空间利用率，且某些元器件长期浸油后会加速老化。由于现有装置的散热结构不佳，因此能提供给海底用电负荷的功率较为有限，且大大降低了可靠性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能灵活控制电能分配和监控自身运行状态的海底中压直流配电装置，所述的海底中压直流配电装置结构简单且散热性能优良，能适用于大体积、大功率等各种应用场合，提高长期运行的可靠性和稳定性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
本发明涉及一种海底中压直流配电装置，包括内部功能单元和耐压密封腔体，所述内部功能单元安装在耐压密封腔体内，所述耐压密封腔体由前端盖105、筒体112和后端盖114依次连接组成，所述前端盖上安装有第一水密连接器101和第二水密连接器102，所述的内部功能单元包含散热支架110以及所述的散热支架110上安装的外部接口供电控制模块201、外部接口状态检测模块202、第一中低压直流变换模块203、中压总线监控模块204、第二中低压直流变换模块205、内部环境状态监测模块206、内部负载监控模块207、以太网交换机208和PC/104主控制器209，其中：所述的中压总线监控模块204的输入端连接第一水密连接器101，输出端分别连接第一中低压直流变换模块203、第二中低压直流变换模块205和外部接口供电控制模块201的输入端，第一中低压直流变换模块203的输出端连接外部接口状态检测模块202的输入端，外部接口状态检测模块202的输出端连接第一水密连接器101的输入端，第一水密连接器101的输出端连接海底用电负荷；第二中低压直流变换模块205的输出端分别连接内部环境状态监测模块206和内部负载监控模块207的输入端，内部负载监控模块207的输出端分别连接以太网交换机208和PC/104主控制器209；中压总线监控模块204负责监控输入海底高压直流变电装置的400V中压直流电的电压值和电流值，并将该中压直流电输送至第一中低压直流变换模块203和第二中低压直流变换模块205，此外还输送至各个外部接口供电监控模块201，所述的第一中低压直流变换模块203将该中压直流电变换为48V低压直流电，并将该低压直流电也输送至相应的外部接口供电监控模块201，所述的外部接口供电监控模块201负责在PC/104主控制器的指令控制下完成中压和低压直流电的供电通断，并将中压和低压输出至相应的外部接口状态检测模块202，所述的外部接口状态检测模块202负责检测对应的外部接口上的电压值和电流值，从而检测所连接海底用电负荷所消耗的功率，所述的第二中低压直流变换模块205将该中压直流电变换为12V低压直流电，输送至内部环境状态监测模块206和内部负载监控模块207，所述的内部环境状态监测模块206负责监测耐压密封腔体内部温度、湿度和压力等环境参数，所述的内部负载监控模块207连接至两台冗余备份的以太网交换机208和两台冗余备份的PC/104主控制器209，负责切换以太网交换机208和PC/104主控制器209，并监测以太网交换机208和PC/104主控制器209这些内部负载的运行情况。
本发明中，所述前端盖与第一水密连接器101和第二水密连接器102连接处各设有一道Ｏ型密封圈103，以实现第一水密连接器101和第二水密连接器102与前端盖105之间的密封。
本发明中，所述前端盖105与筒体112连接处设有两道第二Ｏ型密封圈106，以实现前端盖105与筒体112之间的密封；所述后端盖114与筒体112连接处设有两道Ｏ型密封圈113，以实现后端盖114与筒体112之间的密封。
本发明中，所述散热支架110的纵向截面形状为倒T型结构，下端面为能与筒体112内部贴合的圆弧，所述散热支架110一端通过滑块107和滑块底座108连接至前端盖105内侧，所述滑块107通过第三螺栓111连接至散热支架110上；所述滑块底座108通过第二螺栓109连接至前端盖105上，所述滑块107和滑块底座108之间相互咬合；所述滑块107在外力下能在滑块底座108上来回直线运动，所述的散热支架110下部圆弧质量较大，在重力作用下散热支架110通过滑块107在滑块底座108上向下自然贴紧筒体112内壁。
本发明中，所述的散热支架110上端面上开有若干个等间距排列、有同样深度的圆柱形内螺纹孔，所述的圆柱形内螺纹孔内各安装有同样尺寸的弹性结构，所述弹性结构包括弹珠盖116、球形弹珠117、弹簧118和弹簧底座119，弹簧底座119、弹簧118和球形弹珠117自下而上依次放入散热支架110上端面的圆柱形内螺纹孔中，所述球形弹珠117、弹簧118和弹簧底座119的直径均略小于散热支架110上端面所述的圆柱形内螺纹孔的内直径，所述弹簧118的直径略小于所述的球形弹珠117的直径，所述弹珠盖116为内直径略小于球形弹珠117直径的中空圆柱体结构，所述弹珠盖116具有外螺纹，弹珠盖116的外螺纹安装于散热支架110上端面的内螺纹孔内，当压缩弹簧118时可使球形弹珠117部分露出弹珠盖116；当散热支架110安装于耐压密封腔体内时，所述球形弹珠117会顶住筒体112内壁，同时使弹簧118压缩,从而使得散热支架110更为贴紧筒体112内壁，并吸收运输和布放过程中的机械振动。
本发明中，所述第一中低压直流变换模块203、外部接口供电控制模块201、外部接口状态检测模块202和第一水密连接器101的个数相同。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明实现了灵活控制电能分配和监控自身运行状态，结构简单且散热性能优良，能适用于大体积、大功率等各种应用场合，可有效降低内部功能电路的环境温度，提高长期运行的可靠性和稳定性。相对传统的端盖散热方式，具有更充分的散热面积和电路模块安装空间，有利于降低内部环境温度；相对传统的散热板和耐压密封腔体内壁贴紧的散热方式，通过弹簧压紧方式降低内部电路模块上的发热器件与耐压密封腔体外海水之间热阻，进一步降低内部环境温度，同时降低对筒体和支架配合工艺的要求，使得装配更为简便；相对传统的腔体内部充油散热方式，避免了油液升温时体积膨胀导致腔体内部压强增大对内部电路模块的影响，且避免了使用较大体积的油压补偿器，在降低内部环境温度的同时，使得机电集成结构更为紧凑。
附图说明
图1为海底中压直流配电装置的总体结构图。
图2为内部功能模块在散热支架上的安装示意图。
图3为散热支架的上视图。
图4为散热支架的前视图。
图5为散热支架的右视图。
图6为散热支架上的弹性结构的示意图。
图7为滑块和滑块底座的配合示意图。
图8为耐压密封腔体和散热支架的安装示意图：（a）正视图；（b）侧视图；（c）下视图。
图9为海底中压直流配电装置的整体示意图。
图10为海底中压直流配电装置的原理框图。
图中标号：101为第一水密连接器、102为第二水密连接器、103为第一Ｏ型密封圈、104为第一螺栓、105为前端盖、106为第二Ｏ型密封圈、107为滑块、108为滑块底座、109为第二螺栓、110为散热支架、111为第三螺栓、112为筒体、113为第三Ｏ型密封圈、114为后端盖、115为第四螺栓、201为外部接口供电控制模块、202为外部接口状态检测模块、203为第一中低压直流变换模块、204为中压总线监控模块、205为第二中低压直流变换模块、206为内部环境状态监测模块、207为内部负载监控模块、208为以太网交换机、209为PC/104主控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例１:图1-图9为所述的海底中压直流配电装置的耐压密封腔体、散热支架的结构和安装方式。所述的海底中压直流配电装置包括内部功能单元和耐压密封腔体，所述的内部功能单元安装在耐压密封腔体内：所述的耐压密封腔体主要包含前端盖105、筒体112和后端盖114，所述的前端盖上安装有第一水密连接器101和第二水密连接器102，所述的第一水密连接器101和第二水密连接器102各有一道第一Ｏ型密封圈103实现与前端盖105之间的密封，所述的前端盖105和后端盖114分别通过第一螺栓104和第四螺栓115与筒体112连接，所述的前端盖105和后端盖114分别通过两道第二Ｏ型密封圈106和第三Ｏ型密封圈113实现与筒体112之间的密封；所述的内部功能单元主要包含散热支架110以及所述的散热支架110上安装的外部接口供电控制模块201、外部接口状态检测模块202、第一中低压直流变换模块203、中压总线监控模块204、第二中低压直流变换模块205、内部环境状态监测模块206、内部负载监控模块207、以太网交换机208和PC/104主控制器209。
如图3-图8所示，散热支架110的截面形状类似倒T型，下端面为能与筒体112内部贴合的圆弧，左端面上具有滑块107的安装板和安装孔，所述的散热支架110通过滑块107和滑块底座108连接至前端盖105内侧，所述的滑块107通过第三螺栓111连接至散热支架110上，所述的滑块底座108通过第二螺栓109连接至前端盖105上，所述的滑块107和滑块底座108之间相互咬合，所述的滑块107在一定的外力下能在滑块底座108上在一定的范围内直线运动，由于所述的散热支架110下部圆弧质量较大，在重力作用下散热支架110通过滑块107在滑块底座108上向下自然贴紧筒体112内壁。
如图7所示，所述的散热支架110上端面上有若干等间距排列、有同样深度的内螺纹孔，所述的圆柱形的内螺纹孔孔内各安装有同样尺寸的弹性结构，所述的弹性结构包括弹珠盖116、球形弹珠117、弹簧118和弹簧底座119，所述的球形弹珠117、弹簧118和弹簧底座119的直径均略小于散热支架110上端面所述的内螺纹孔的内直径，所述的弹簧118的直径又略小于所述的球形弹珠117的直径，所述的弹珠盖116为内直径略小于球形弹珠117直径的中空圆柱体，将弹簧底座119、弹簧118和球形弹珠117依次放入散热支架110上端面所述的内螺纹孔，所述的弹珠盖116具有外螺纹，安装在散热支架110上端面所述的内螺纹孔内，在压缩弹簧118的同时可使球形弹珠117部分露出弹珠盖116，所述的散热支架110安装在耐压密封腔体内时，所述的球形弹珠117会顶住筒体112内壁并一定程度上压缩弹簧118,从而使得散热支架110更为贴紧筒体112内壁，并吸收运输和布放过程中的机械振动。
图10表述了海底中压直流配电装置内部功能模块的相互连接关系和工作原理，所述的中压总线监控模块204通过第二水密连接器102连接至海底高压直流变电装置，负责监控输入海底高压直流变电装置的400V中压直流电的电压值和电流值，并将该中压直流电输送至各个中第一低压直流变换模块203和一个第二低压直流变换模块205，此外还输送至各个外部接口供电监控模块201，每个外部负载接口各安装有一个第一中低压直流变换模块203、一个外部接口供电监控模块201、一个外部接口状态检测模块202和一个连接至海底用电负荷的第一水密连接器101，所述的中低压直流变换模块203将该中压直流电变换为48V低压直流电，并将该低压直流电也输送至相应的外部接口供电监控模块201，所述的外部接口供电监控模块201负责在PC/104主控制器209的指令控制下完成中压和低压直流电的供电通断，并将中压和低压输出至相应的外部接口状态检测模块202，所述的外部接口状态检测模块202负责检测对应的外部接口上的电压值和电流值，从而检测所连接海底用电负荷所消耗的功率，所述的第二中低压直流变换模块205将该中压直流电变换为12V低压直流电，输送至内部环境状态监测模块206和内部负载监控模块207，所述的内部环境状态监测模块206负责监测耐压密封腔体内部温度、湿度和压力等环境参数，所述的内部负载监控模块207连接至两台冗余备份的以太网交换机208和两台冗余备份的PC/104主控制器209，负责切换以太网交换机208和PC/104主控制器209，并监测以太网交换机208和PC/104主控制器209这些内部负载的运行情况。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种海底中压直流配电装置，包括内部功能单元和耐压密封腔体，其特征在于所述内部功能单元安装在耐压密封腔体内，所述耐压密封腔体由前端盖(105)、筒体(112)和后端盖(114)依次连接组成，所述前端盖上安装有第一水密连接器(101)和第二水密连接器(102)，所述的内部功能单元包含散热支架(110)以及所述的散热支架(110)上安装的外部接口供电控制模块(201)、外部接口状态检测模块(202)、第一中低压直流变换模块(203)、中压总线监控模块(204)、第二中低压直流变换模块(205)、内部环境状态监测模块(206)、内部负载监控模块(207)、以太网交换机(208)和PC/104主控制器(209)，其中：所述的中压总线监控模块(204)的输入端连接第一水密连接器(101)，输出端分别连接第一中低压直流变换模块(203)、第二中低压直流变换模块(205)和外部接口供电控制模块(201)的输入端，第一中低压直流变换模块(203)的输出端连接外部接口状态检测模块(202)的输入端，外部接口状态检测模块(202)的输出端连接第一水密连接器(101)的输入端，第一水密连接器(101)的输出端连接海底用电负荷；第二中低压直流变换模块(205)的输出端分别连接内部环境状态监测模块(206)和内部负载监控模块(207)的输入端，内部负载监控模块(207)的输出端分别连接以太网交换机(208)和PC/104主控制器(209)；中压总线监控模块(204)负责监控输入海底高压直流变电装置的400V中压直流电的电压值和电流值，并将该中压直流电输送至第一中低压直流变换模块(203)和第二中低压直流变换模块(205)，此外还输送至各个外部接口供电监控模块(201)，所述的第一中低压直流变换模块(203)将该中压直流电变换为48V低压直流电，并将该低压直流电也输送至相应的外部接口供电监控模块(201)，所述的外部接口供电监控模块(201)负责在PC/104主控制器的指令控制下完成中压和低压直流电的供电通断，并将中压和低压输出至相应的外部接口状态检测模块(202)，所述的外部接口状态检测模块(202)负责检测对应的外部接口上的电压值和电流值，从而检测所连接海底用电负荷所消耗的功率，所述的第二中低压直流变换模块(205)将该中压直流电变换为12V低压直流电，输送至内部环境状态监测模块(206)和内部负载监控模块(207)，所述的内部环境状态监测模块(206)负责监测耐压密封腔体内部温度、湿度和压力，所述的内部负载监控模块(207)连接至两台冗余备份的以太网交换机(208)和两台冗余备份的PC/104主控制器(209)，负责切换以太网交换机(208)和PC/104主控制器(209)，并监测以太网交换机(208)和PC/104主控制器(209)内部负载的运行情况。
2.根据权利要求１所述的海底中压直流配电装置，其特征在于所述前端盖与第一水密连接器(101)和第二水密连接器(102)连接处各设有一道Ｏ型密封圈(103)，以实现第一水密连接器(101)和第二水密连接器(102)与前端盖(105)之间的密封。
3.根据权利要求１所述的海底中压直流配电装置，其特征在于所述前端盖(105)与筒体(112)连接处设有两道第二Ｏ型密封圈(106)，以实现前端盖(105)与筒体(112)之间的密封；所述后端盖(114)与筒体(112)连接处设有两道Ｏ型密封圈(113)，以实现后端盖(114)与筒体(112)之间的密封。
4.根据权利要求１所述的海底中压直流配电装置，其特征在于所述散热支架(110)的纵向截面形状为倒T型结构，下端面为能与筒体(112)内部贴合的圆弧，所述散热支架(110)一端通过滑块(107)和滑块底座(108)连接至前端盖(105)内侧，所述滑块(107)通过第三螺栓(111)连接至散热支架(110)上；所述滑块底座(108)通过第二螺栓(109)连接至前端盖(105)上，所述滑块(107)和滑块底座(108)之间相互咬合；所述滑块(107)在外力下能在滑块底座(108)上来回直线运动，所述的散热支架(110)下部圆弧质量较大，在重力作用下散热支架(110)通过滑块(107)在滑块底座(108)上向下自然贴紧筒体(112)内壁。
5.根据权利要求１所述的海底中压直流配电装置，其特征在于所述的散热支架(110)上端面上开有若干个等间距排列、有同样深度的圆柱形内螺纹孔，所述的圆柱形内螺纹孔内各安装有同样尺寸的弹性结构，所述弹性结构包括弹珠盖(116)、球形弹珠(117)、弹簧(118)和弹簧底座(119)，弹簧底座(119)、弹簧(118)和球形弹珠(117)自下而上依次放入散热支架(110)上端面的圆柱形内螺纹孔中，所述球形弹珠(117)、弹簧(118)和弹簧底座(119)的直径均略小于散热支架(110)上端面所述的圆柱形内螺纹孔的内直径，所述弹簧(118)的直径略小于所述的球形弹珠(117)的直径，所述弹珠盖(116)为内直径略小于球形弹珠(117)直径的中空圆柱体结构，所述弹珠盖(116)具有外螺纹，弹珠盖(116)的外螺纹安装于散热支架(110)上端面的内螺纹孔内，当压缩弹簧(118)时可使球形弹珠(117)部分露出弹珠盖(116)；当散热支架(110)安装于耐压密封腔体内时，所述球形弹珠(117)会顶住筒体(112)内壁，同时使弹簧(118)压缩,从而使得散热支架(110)更为贴紧筒体(112)内壁，并吸收运输和布放过程中的机械振动。
6.根据权利要求１所述的海底中压直流配电装置，其特征在于所述第一中低压直流变换模块(203)、外部接口供电控制模块(201)、外部接口状态检测模块(202)、第一水密连接器(101)、海底用电负荷的数量相同。
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