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、開發規模的不斷擴大，海上鉆采生產對通信的要求越來越高，除常規的短波通信設備外，TES衛星系統、程控交換機、計算機網絡等通信手段在海上作業得到了廣泛應用。通信是生產和指揮系統的中樞，也是船臺應急、安全的重要保證。船用UPS就是要對上述設備提供優質、可靠的不間斷電源，所以通信電源系統的質量和可靠性對船臺是非常重要的。
一般的進口鉆井平臺電源是由船用發電機提供的，而且采用60Hz頻率，發電機的容量對負荷而言，設計冗余偏小，經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以下情形：UPS不能正確跟蹤供電頻率以及UPS電源工作時嚴重干擾短波通信等，更為嚴重的是UPS在使用中經常損壞。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、鉆井平臺供電環境的特點
經分析發現，鉆井平臺與陸地供電環境有很大的不同，主要表現在于：船電無接地系統；鉆井平臺電站容量小，相對載荷有時變化較大，電壓存在大范圍陡升陡降的變化；負載類型復雜，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，而且標稱頻率也有區別等。
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對電源的要求除了一般指標以外，還有更高的要求：（1）要求干擾小，短波通信對環境的要求高是因為短波接收機的靈敏度高（1μv以下），接收頻率相對其他通信設備更容易受到干擾；（2）空間小，通信設備的布局受空間限制，因為鉆井平臺的空間限制所有的通信設備都必須集中在報房內，不可能有足夠的空間距離，所以對短波通信設備來說，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工作環境，對比后發現：（1）陸上供電系統都有接地系統；（2）陸上供電頻率是固定的而且較穩定；（3）普通UPS電磁兼容標準低，而且目前國內對EMI沒有作為強制執行標準。在上述原因中，（1）、（2）兩項是引起設備故障的主要原因。考慮到電源接地體制是與各項保護措施密切相關的，其中包括濾波器的平衡設計、過壓保護、過零檢測等環節，而在線式UPS的工作頻率是與電網頻率同步的，即跟蹤電網頻率，一般情況下跟蹤的范圍是一定的。如果電網的工作頻率超過UPS的跟蹤范圍，UPS便作出相應反映并——進入BAYPASS狀態，此時便有可能出現“環流”；而在第（3）項中，電磁兼容更是一個復雜的問題，首先是前面提到的EMI標準執行情況。另外研究相關測試方法時發現，所有的電磁干擾測試都是在大于3m距離的測試點進行的，與報房的空間相比顯然測試條件不適用于這種環境，而且不但存在UPS干擾短波通信接收，同時短波發射也干擾UPS的正常工作。
表1是UPS廠商提供的EMI檢測報告，很顯然廠商給出了不完整的檢測報告，即對我們最關心的頻率段1～30MHz略去了。查找相關資料有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行專門設計，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）電路平衡設計：要求適應船舶供電環境即不接地系統。3）電磁兼容設計：包括解耦設計、濾波器選擇、屏蔽措施等，必要時使用雙層金屬外殼屏蔽。由于我們自己設計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，委托設計制造，樣機出廠后進行實地運行考驗。經過協商、考察，大連船舶電器廠有能力設計并生產適用于船舶環境應用的UPS電源。
下面就以渤海十號鉆井平臺UPS為例進行說明。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（一種單邊帶通信設備）單邊帶接收機正常工作，現場測量分析后結論如下：
①測試中發現輸出正弦波形嚴重失真。②UPS機殼對平臺的保護“地”之間有96V的電位差，使UPS機殼不能與平臺“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。而由于機殼不接地，逆變器工作過程中產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際工作環境不符，即電磁干擾要求比標準嚴酷的多。④海洋氣象環境和船上的特殊負載環境都比陸上惡劣。渤海十號平臺上的美國UPS設備使用不到五年，設備無論外觀還是機內都已嚴重腐蝕，無維修價值。
根據現場測試和分析大連市船用電器廠專門設計并生產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行，到目前為止運行情況良好。設計方案中的幾點技術措施分別如下。
該廠生產的UPS其技術總原則是，封兩端、罩中間、電路平衡以及船用標準防護。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，以減弱傳導干擾；在UPS輸出端加隔離變壓器，在減弱高頻干擾的同時可將負載與逆變器功率輸出級隔離，安全可靠性增強；機殼對輸入輸出均隔離以保證機殼能與船臺保護“地”有效連接；UPS總體采用平衡設計以適應船電無“0”線的電環境；機殼采用雙層結構，實現雙層屏蔽，用以減小輻射干擾；整機按船用標準設計，外殼防護等級為IP20；電池備用時間大于30分鐘，實際可達1.5小時；逆變器設計輸出波形失真小于3%。UPS電氣性能指標見表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量，使報房內UPS和通訊設備的電磁兼容問題得到了根本解決，同時也使系統的可靠性有了保證。
