朱建波，何多昌，張定華

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

海洋約占地球表面積的71%，其中蘊藏著豐富的種類繁多的礦產資源，其分布范圍廣，儲量遠遠超過陸地礦產資源的，如可開采的多金屬結核達700億噸，富鈷結殼約210億噸［1］。隨著全球經濟的快速發(fā)展，對各種資源的需求與日俱增，加速了陸地礦產資源的枯竭。由于礦產資源的不可再生性，世界各國紛紛將目光轉向了深海礦產資源的開發(fā)。

歐美的發(fā)達國家早在20世紀60年代就開始了深海采礦技術的研究［2-3］，并在70年代進行了相關設備的研制及海試，但在取得一系列成果之后就停止了進一步的開發(fā)。近幾年，深海采礦再次成為研究熱點，日本、韓國、加拿大等國家和歐盟的科研機構及企業(yè)紛紛進行深海采礦的樣機研制及海試，各自取得了較大的成果［4］。我國也在20世紀80年代啟動了深海采礦技術的研究，先后進行了采礦樣機的湖試和單體海試、輸送硬管的單體海試及全系統(tǒng)的聯(lián)動海試，目前正逐步縮小在該領域與國際先進水平的差距。

在深海采礦系統(tǒng)中，動力輸送系統(tǒng)不僅承擔著將船舶發(fā)電機提供的電能安全可靠輸送到水下電氣設備的重任，同時還要對水下電機進行精準啟動及控制。此外，系統(tǒng)需具備完善的自保護功能，使水下供電線路能在復雜海流下可靠工作，電氣系統(tǒng)的完好性可被實時監(jiān)控。在深海采礦試驗項目中，有超過2 000 m的供電臍帶纜處于水下，深海環(huán)境復雜，臍帶纜會受到海水的化學腐蝕、洋流運動、難以預測的內波以及車子的運動拖曳等因素影響，對電能輸配及光纖通信的可靠性和穩(wěn)定性來說非常具有挑戰(zhàn)性。動力輸送系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將導致整個項目的失敗，因此，對該系統(tǒng)的要求非常高。

本文對我國某深海采礦試驗系統(tǒng)的大功率遠距離水下供電系統(tǒng)進行研究，根據(jù)水下電機的啟動特性和定子及轉子的參數(shù)，對變壓器及供電臍帶纜的參數(shù)進行匹配計算，提出一種大功率、長距離深海動力輸送系統(tǒng)。通過建立包含輸入電抗器、變頻器、正弦波濾波器、升壓變壓器和臍帶纜的仿真模型進行不同參數(shù)下的系統(tǒng)仿真，模擬電機在不同參數(shù)下啟動及運行的電壓和電流波形，實現(xiàn)水下大功率電機的平滑啟動及實時調控，并解決了其他項目中發(fā)生的電壓諧振問題。

1 深海采礦系統(tǒng)構成

深海采礦系統(tǒng)從20世紀60年代開始被研究，拖斗式采礦系統(tǒng)［5］、連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)［6］、穿梭潛器采礦系統(tǒng)（GLB采礦法）［7］和集礦機與管道提升結合采礦系統(tǒng)［8］被先后研發(fā)出。前3種采礦系統(tǒng)由于存在采集效率低、運行成本高、商業(yè)開采難等缺點已被淘汰，目前重點研究的是集礦機與管道提升相結合的采礦系統(tǒng)，其主要由水面支持系統(tǒng)、水下輸送系統(tǒng)、水下集礦系統(tǒng)和動力輸送系統(tǒng)4大部分構成。因采用的提升方式不同，管道提升采礦系統(tǒng)又有水力提升、氣力提升和輕介質提升3種，其中輕介質提升系統(tǒng)因成本高且污染環(huán)境而較少使用。

本文所研究的我國某深海采礦試驗系統(tǒng)采用水力提升方式，其由水面支持系統(tǒng)、海底集礦及導航定位系統(tǒng)、水下輸送系統(tǒng)和動力輸送及中央控制系統(tǒng)組成，設計工作水深為3 500 m，試驗水深不小于1 000 m，系統(tǒng)組成示意如圖1所示。水下集礦車將采集的礦物經過破碎后通過輸送軟管進入到水下中繼站中，再通過輸送硬管到達水下提升泵，然后提升到船舶甲板的脫水系統(tǒng)，最后進入儲料倉。

圖1 某深海采礦試驗系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic composition of a deep-sea mining test system

深海采礦系統(tǒng)供電分為甲板和水下兩部分。甲板部分除了船舶自身用電外，主要是給水面支持系統(tǒng)的管道提升系統(tǒng)、臍帶纜布放回收系統(tǒng)、軟管部分回收系統(tǒng)和集礦車布放回收系統(tǒng)等設備供電，由船舶配電板直接提供。水下部分主要是給水下提升泵、中繼站和集礦車供電，通過動力輸送系統(tǒng)進行控制和保護。

2 動力輸送系統(tǒng)概述

動力輸送系統(tǒng)主要由甲板和水下兩部分組成。甲板部分供電設備被集中安裝在3臺海工特種集裝箱中，低壓進線來自船舶配電板，經過變壓器升壓后出線與臍帶纜絞車連接，最后通過唯一通道——復合鎧裝臍帶纜與水下負載相連。水下負載主要為電機及水下相機、水下照明燈、聲吶、慣導等儀器設備，分布在水下500～1 800 m位置。從集裝箱到水下負載的供電示意如圖2所示，水下負載典型參數(shù)如表1所示。

圖2 水下供電示意圖Fig.2 Schematic diagram of underwater power supply

表1 深海采礦系統(tǒng)典型水下負載參數(shù)表Tab.1 Typical underwater load parameters of deep sea mining system

3 動力輸送系統(tǒng)方案介紹

目前世界各大型海工企業(yè)都在大力研究深海采礦系統(tǒng)，各自均開展了相應的樣機研制和海試［5］。由于技術的敏感性，國外深海采礦方面的技術細節(jié)幾乎沒有公開資料，只能依靠自主研發(fā)。在國內的深海采礦試驗系統(tǒng)中，我們通過對系統(tǒng)的研究、參數(shù)計算和模擬仿真，攻克了深海大容量長距離動力傳輸與控制、深海遠距離大功率電機啟動及控制、深海電路絕緣及接地回路完好性在線監(jiān)測及診斷、深海光電復合臍帶纜開發(fā)等關鍵技術，成功研制了一套動力輸送系統(tǒng)樣機并通過了海試考核驗證。

3.1 配電方案

船舶電網(wǎng)提供3種電壓制式，即三相AC 690 V、三相AC 380 V及單相AC 220 V。水下電機最大功率高達720 kW，供電臍帶纜最長達2 600 m。如果采用船舶提供的AC 690 V制式直接輸送，則電流近1 000 A，會導致線路壓降非常大，且臍帶纜發(fā)熱情況嚴重，極易導致臍帶纜燒毀，因此必須采用高壓輸電方式。但輸電電壓過高，又會增大臍帶纜和電機的制作難度，且對系統(tǒng)絕緣要求高。下面對美國4 000 m MBARI電驅水下機器人（remote operated vehicle，ROV）、中國4 000 m“海獅號”ROV［9］及瑞典SABB 4 000 m ROV的水下供電方案進行對比分析，如表2所示。

表2 典型水下機器人供電方案Tab.2 Typical ROV power supply schemes

經過比較，綜合考慮項目實際情況，最終輸送電壓采用AC3300V制式，水下電機采用額定電壓為AC3000V的電機。船舶提供的三相AC 690V電源進入動力輸送系統(tǒng)配電集裝箱后，經過升壓變壓器升為AC 3 300V，通過鎧裝復合臍帶纜輸送到水下電機?？紤]電壓波動，變壓器一次側和二次側配有多個不同電壓的抽頭。

720 kW大功率電機供電變壓器的低壓側額定電流將近1 000A，如直接啟動時，啟動電流約為額定電流的6～8倍，將近8 000A，會對船舶供電網(wǎng)造成嚴重沖擊，甚至導致其崩潰，因此電機不能采用直接啟動方式。電機軟啟動通常采用晶閘管軟啟動器，這種軟啟動器在線路長度較短時可正常工作，在我國以前開展的其他類似深海試驗中也有過嘗試，但由于供電臍帶纜長達數(shù)千米，中間還經過升壓變壓器，軟啟動器無法正常啟動電機；另外，在實際工作中，礦漿輸送濃度是變化的，電機轉速需要進行實時無級調節(jié)以匹配礦漿輸送功能，因此電機須采用低壓水冷變頻器進行啟動及轉速控制。圖3為動力輸送系統(tǒng)單線圖。從圖中可以看出，動力輸送系統(tǒng)共分為提升泵、中繼站和集礦車3個供電支路，船舶發(fā)電機組提供三相AC 690 V電壓，3個支路分別成套安裝在3臺獨立的海工特種集裝箱內，以便于安裝拆運。

圖3 動力輸送系統(tǒng)單線圖Fig.3 Single line drawing of power transmission system

提升泵供電支路用于給水下電機及儀器設備供電，并對電機進行變頻啟動和調速控制。水下電機數(shù)量為1臺，其額定功率為720 kW，額定電壓為AC 3 000 V。在運行過程中，采用變頻器進行啟動和調速控制。變頻器采用12脈波整流方式，額定功率為1.2 MW，輸入為兩路三相AC 720 V電壓，采用水冷方式散熱。船舶提供的三相AC 690 V電壓接入集裝箱內配電柜后，經過變壓器轉變?yōu)閮陕稟C 720 V輸出到變頻器；變頻器輸出通過正弦波濾波器后傳輸?shù)缴龎鹤儔浩?，將低壓電轉換為高壓電后再輸送到水下電機。

中繼站供電支路為水下軟管泵、液壓站電機及儀器設備供電，并對軟管泵電機進行變頻啟動和調速控制。軟管泵和液壓站電機額定功率分別為220 kW和25 kW，額定電壓均為AC 3 000 V。25 kW電機功率小，船舶三相AC 690 V電壓接入配電柜后直接輸送到升壓變壓器，轉變?yōu)楦邏弘娫佥斔偷剿码姍C，采用直接啟動方式。為避免啟動時對船舶電網(wǎng)沖擊，220 kW電機采用了變頻啟動方式，變頻器前后兩端配置隔離開關，與旁路接觸器并聯(lián)。旁路接觸器與變頻器不同時工作，兩者之間有電氣和機械聯(lián)鎖。正常工作情況下，旁路接觸器斷開，通過變頻器啟動水下電機；在變頻器損壞無法工作的情況下，則采用旁路接觸器直接啟動水下電機。

集礦車供電支路分別為2臺水下電機和儀器設備供電并對2臺電機進行變頻啟動與調速控制。單臺電機額定功率為175 kW，額定電壓為AC 3 000 V。兩臺電機采用兩臺獨立的變頻器進行啟動控制，兩個供電支路的結構和工作原理與中繼站220 kW電機供電支路相同。

3.2 中央控制系統(tǒng)

為確保整個采礦系統(tǒng)的安全、可靠運行，在試驗過程中需要實時掌握動力輸送系統(tǒng)的運行參數(shù)及設備運行狀態(tài)，對水下設備進行實時控制。因此，高效可靠的中央控制系統(tǒng)是非常重要的。典型的中央控制系統(tǒng)組成如圖4所示。從圖中可以看出，中央控制系統(tǒng)由水下和水面兩部分組成，其核心是水下和水面信號處理中心，二者之間通過光纖連接，分別實現(xiàn)不同的功能，水面部分被安裝在專業(yè)的控制艙內。

圖4 典型的中央控制系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of a typical central control system

3.2.1 水下部分

（1）攝像機將水下實時視頻信號傳輸?shù)剿滦盘柼幚碇行?，視頻信號經過處理后通過光纖傳輸?shù)剿嫘盘柼幚碇行?，水面信號處理中心接收、處理視頻信號后輸入中央顯示大屏進行顯示。在水面操作臺觸摸屏，可對水下攝像機進行角度、轉向及變焦控制；水面信號處理中心接收到控制指令后，將指令傳輸?shù)剿滦盘柼幚碇行?，由該中心處理并實現(xiàn)控制功能。

（2）根據(jù)水下環(huán)境光線的強弱，操作人員可在操作臺觸摸屏對水下照明燈的強弱進行調節(jié)。

（3）液壓閥箱用于控制水下各液壓閥，從而實現(xiàn)不同的功能。其運行參數(shù)可在水面操作臺觸摸屏上實時查看，也可通過觸摸屏對液壓閥箱發(fā)出各種控制指令、調節(jié)運行參數(shù)。

（4）推進器控制閥箱用于控制水下推進器，在水下對采礦車進行姿態(tài)調整。其運行參數(shù)可在水面操作臺觸摸屏上實時查看，也可通過觸摸屏對推進器控制閥箱發(fā)出控制指令、調節(jié)運行參數(shù)。

（5）電機與水下信號處理中心進行雙向信息交互：一方面將實時運行參數(shù)反饋給水下信號處理中心，傳輸?shù)剿娌僮髋_觸摸屏；另一方面根據(jù)需要，通過觸摸屏可以實時調整變頻器參數(shù)，實現(xiàn)對水下電機的轉速控制。

（6）深度計實時測量采礦車的入水深度，在中央顯示大屏顯示。

（7）聲吶用于實時探測采礦車前后左右的地形環(huán)境，將探測畫面在中央顯示大屏顯示。

（8）慣導用于實時計算采礦車的速度和位置，通過與北斗定位信號進行比對來確定其經緯度。

3.2.2 水面部分

（1）水面信號處理中心除了與水下信號處理中心進行信息交互外，還具備其他功能。

（2）船舶甲板攝像頭采集實時視頻信號傳輸?shù)剿嫘盘柼幚碇行?，在中央顯示大屏顯示（可在大屏上分割顯示，也可將某一畫面全屏顯示）；在操作臺觸摸屏可對船舶甲板攝像頭進行角度、轉向及變焦控制。

（3）采礦項目一般都會配有輔助ROV，其實時視頻信號被接入中央控制系統(tǒng)并在大屏進行顯示。

（4）船舶動態(tài)定位（DP）信號接入中央控制系統(tǒng)，在大屏進行顯示，可實時了解船舶DP系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（5）船舶接收到的北斗衛(wèi)星定位信號經過終端處理后傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，用于確定水下采礦車的絕對位置。

（6）中央顯示大屏顯示設備運行參數(shù)和實時視頻畫面。

（7）操作臺觸摸屏顯示水下各設備實時參數(shù)，也可進行參數(shù)設置和設備控制。

中央控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控內容包括電機電壓、電機電流、電機溫度、液壓閥箱壓力、集礦車入水深度、集礦車離底高度、集礦車傾角、集礦車方位角、集礦車履帶轉速、集礦車經緯度、輸送壓力、輸送流量、系統(tǒng)絕緣值、變壓器溫度、變頻器輸出頻率、變頻器輸出電壓、變頻器輸出電流、斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)、變頻器狀態(tài)、液壓閥箱狀態(tài)、進線電源狀態(tài)、系統(tǒng)絕緣狀態(tài)及補償器狀態(tài)。

3.3 安全措施

海上工作環(huán)境惡劣，不僅有強烈的陽光，還有雨水、潮氣及鹽霧，因此動力輸送系統(tǒng)所有電氣設備均被密封在無人值守的海工特種集裝箱內，防護等級為IP56，防火等級為A60。為防止集裝箱外殼因太陽暴曬產生的熱量進入內部，外殼與內壁之間安裝有隔熱層；對于發(fā)熱嚴重的變壓器和變頻器，在變壓器底部和變頻柜上安裝有散熱風機。每臺集裝箱內均安裝了3臺大功率制冷空調，設計上采用冗余設計，可確保集裝箱內溫度保持在合理范圍。另外，集裝箱內安裝有多個高靈敏度的煙霧探測器并與集裝箱外部的報警器相連，內部如發(fā)生電氣事故，可及時發(fā)出警報；同時，集裝箱內部配置有2瓶二氧化碳滅火器，用于撲滅電氣火災。頂部不同位置設置有多盞應急燈，在突發(fā)停電情況下，可維持一段時間的照明，便于維護檢修人員安全撤離。

由于深海的特殊應用環(huán)境，動力輸送系統(tǒng)在水下有長達2 000多米的供電臍帶纜，臍帶纜能否正常工作將直接影響動力輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安全、可靠運行。臍帶纜在運行中受到電壓波動、不同海層溫度和壓力、復雜海流、海底生物等因素的作用，容易造成損壞。由于臍帶纜在水下，其損壞無法通過人工巡查發(fā)現(xiàn)，因此動力輸送系統(tǒng)須具備系統(tǒng)絕緣智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時在線監(jiān)測從甲板到水下電機配電系統(tǒng)的絕緣情況，以確保整個系統(tǒng)的安全可靠運行。

陸地上電氣設備接地是通過將外露導電部分的導體與大地相連而實現(xiàn)的，其接地回路的完好性可以很方便地被檢查。但深海中，電氣設備接地回路的完好性無法像在陸地上一樣可以進行人工檢查，因此本系統(tǒng)采用了深海電氣設備接地回路監(jiān)測技術，一旦接地回路斷開，控制系統(tǒng)能立即檢測到并采取相應的保護措施，以避免傷害人員及對設備造成損傷。

4 海試驗證

為驗證本文所研究的深海采礦動力輸送系統(tǒng)的整體性能，項目組按照試驗方案開展了100 m級、300 m級和1 000 m級3個階段的海試。在整個海試過程中，動力輸送系統(tǒng)未出現(xiàn)任何設備、技術和操作問題，有效支撐了整個采礦試驗順利進行，取得了以下成果：

（1）實現(xiàn)了高精度電機變頻驅動。通過電機和臍帶纜參數(shù)在線識別，有效控制集礦車、提升泵及中繼站上多電機的低頻（5～50 Hz）連續(xù)的低電流啟動和電機轉矩的精準控制，并獲得一次性成功。采用多重化錯相和LC濾波相結合方式，實現(xiàn)低頻無諧波的高質量供電，沒有出現(xiàn)電磁干擾的現(xiàn)象。圖5為試驗過程中測得的變頻器輸出波形圖。

圖5 變頻器輸出波形圖Fig.5 Waveform of frequency converter output

（2）自診斷和保護系統(tǒng)運行可靠，反應靈敏。在系統(tǒng)布放過程中，水下接線箱臍帶纜入口處密封出現(xiàn)問題，內部預先充滿的絕緣油全部溢出，箱體內部灌滿了海水，導致3相導體短路，絕緣在線監(jiān)測裝置及時發(fā)出報警及跳閘信號，避免了電氣故障的蔓延，使故障得到快速的處理。

（3）系統(tǒng)高可靠性運行。按照工程化設計思路，嚴格遵守海工標準對電氣、散熱和防護系統(tǒng)進行設計和出廠考核，所提供的變頻器、配電系統(tǒng)、臍帶纜在海試過程中均未出現(xiàn)因技術故障導致的供電中斷現(xiàn)象，整個流程為零故障運行。

（4）完成了深海光電復合臍帶纜的開發(fā)應用。深海光電復合海纜用于連接船舶甲板配電系統(tǒng)與水下電氣設備，是船舶甲板與水下設備連接的唯一通道，被譽為水下設備的“神經和生命線”。在深海中，臍帶纜受到海水的化學腐蝕、洋流運動、海底生物撞擊及撕咬等因素影響，極易造成功能單元失效以及自重引起臍帶纜的拉伸失效、頂部及底部彎曲失效等。從機械性能上來說，希望臍帶纜的鋼絲鎧裝能盡量厚，這樣可以增大機械強度，但鋼絲鎧裝越厚，纜的外徑越大，不利于纜內部熱量的散發(fā)。因此，選擇合適的臍帶纜參數(shù)非常重要，需要同時兼顧其機械和電氣性能。本文通過對臍帶纜進行不同參數(shù)下的力學和發(fā)熱仿真研究，最終確定了合適的參數(shù)，并通過海試現(xiàn)場的工程應用驗證了臍帶纜參數(shù)選擇的正確性。表3為臍帶纜發(fā)熱模擬仿真結果。

表3 臍帶纜發(fā)熱模擬仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Thermal simulation data of umbilical cable

5 結語

基于電機啟動無沖擊和實時可控的項目需求，本文提出了一種適用于深海的大功率長距離動力輸送系統(tǒng)。通過海試現(xiàn)場考核，有效驗證了該動力輸送系統(tǒng)方案設計的合理性和設備的可靠性，并獲得了大量第一手的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，積累了寶貴的現(xiàn)場經驗。隨著技術的發(fā)展，未來深海采礦研究將進入更深的海域，3 000～6 000 m的采礦海試也會逐步開展。為支撐更大深度的海試開展，水下電機功率必然大大增加，動力輸送系統(tǒng)更為復雜，技術難度更大，要求更高，則其電機變頻控制、特種臍帶纜方案、水下電路的實時保護等須進一步優(yōu)化，這是后續(xù)研究工作方向。