3. 供电设计研究

三相系统和单相系统电压降计算分别见公式(1)和公式(2)（彭鹤，深水ROV动力传输及供电系统研制：浙江大学，2012）。

其中为三相负载线间电压降，单位V；为单相负载电压降，单位V；为水面至水下负载单程缆长的电阻值，单位Ω，为供电设备工作相电流，单位A。

对水下TMS电机及TMS POD，表示从水面升压变压器至TMS系统对应导线的电阻，需要同时考虑从升压变压器至LARS系统和从LARS系统至TMS系统两段导线对应电阻。对水下ROV电机及ROV POD，表示从水面升压变压器至ROV本体对应的导线的电阻，因此除了需要考虑从升压变压器至LARS系统的导线电阻、LARS系统至TMS系统的导线电阻，还需要考虑从TMS至ROV本体的导线电阻。对于在不带TMS的ROV系统，其的值升压变压器至LARS系统导线电阻值加上从LARS系统至ROV本体的导线电阻值。

脐带缆长度、截面、材质将影响脐带缆的电阻值。供电设备电压、功率、工作状态影响将影响供电设备工作相电流。所以电压降公式(1)、(2)可知，深海工作级ROV供电长距离传输压降主要受脐带缆长度、截面、材质和供电设备电压、功率、工作状态影响。脐带缆供电线材质主要采用铜，导电率按20Ω·mm2/km估算。根据供电设备电压及电流，计算线路允许电阻，进而初选脐带缆截面，再根据长度和选定的截面积和供电设备满载和空载电流状态计算变压器变比。再根据选定的变比、截面积和设备电压情况校验电压降是否满足要求。设计方法流程如图2所示。

图2 脐带缆截面积、设备电压及升压变输出电压确定方法

按 导 电 率2 0 Ω·m m2/k m 分 别 估 算1 k m ～7 k m 时，截 面 从1.5mm2～35mm2单程总电阻。估算公式见公式(3)，估算数据见表2。

其中为 为估算导电率，取20Ω·mm2/km；L为线缆长度，单位km；S为线缆截面积，单位mm2。

表2 脐带缆内不同截面线路单程电阻估算线路总长度按电阻率20Ω·mm2/km估算线路总电阻（Ω）1.5mm2 2.5mm2 4mm2 6mm2 10mm2 16mm2 25mm2 35mm21km 13.3 8.0 5.0 3.3 2.0 1.3 0.8 0.6 2km 26.7 16.0 10.0 6.7 4.0 2.5 1.6 1.1 3km 40.0 24.0 15.0 10.0 6.0 3.8 2.4 1.7 4km 53.3 32.0 20.0 13.3 8.0 5.0 3.2 2.3 5km 66.7 40.0 25.0 16.7 10.0 6.3 4.0 2.9 6km 80.0 48.0 30.0 20.0 12.0 7.5 4.8 3.4 7km 93.3 56.0 35.0 23.3 14.0 8.8 5.6 4.0

按公式(1)和(2)计算水下设备在电压从3kV～6kV相电流及线路压降10%时单程允许电阻值,计算数据见表3。

表3 水下设备在各电压等级下相电流及压降10%时单程允许电阻值水下设备容量计算项目各电压等级负载电流及线路压降10%时单程允许电阻值3kV 4kV 5kV 6kV 200kVA 相电流（A） 38.5 28.9 23.1 19.2单程允许电阻（Ω） 4.5 8 12.5 18.0 10.5kVA 相电流（A） 2.0 1.5 1.2 1.0单程允许电阻（Ω） 85.7 152.4 238.1 342.9 6kVA 相电流（A） 2.0 1.5 1.2 1.0单程允许电阻（Ω） 75.0 133.3 208.3 300.0 3kVA 相电流（A） 1.0 0.8 0.6 0.5单程允许电阻（Ω） 150.0 266.7 416.7 600.0

4. 设计案例

本文以6000米150hp不带TMS的ROV供电系统参数设计为例验证上述方法的可行性，其中升压变压器至LARS系统缆长50米，LARS系统自身设计缆长6500米，并假设缆的电气规格一致，即对应脐带缆等效总长度为6550米。

从表2、表3可知，若水下ROV电机选用3k V等级，初选需要35mm2截面线路，此时电流为38.5A，经济性差及重量大。若选用4kV等级，初选用16mm2截面线路，此时电流为28.9A，经济性较佳。所以根据制造厂家电机产品，可以初步选定水下电机电压等级为4.16k V，其实际满载电流为19.7A。根据制造厂家脐带缆产品选定脐带缆截面为13.3mm2,每公里电阻值为1.53Ω。则其为10Ω。则按公式(1)计算满载线电压降为347.2V，空载线电压降为104.1V，其中空载电流按满载电流30%计。所以可以选定ROV水下电机升压变压器T1输出端电压为4300V。则实际电机端电压4195.1V～3952.8V，实际相对电机端电压压降百分比+0.9%～-5%（-代表降低，+代表提升，后文相同），可满足IEC-1中规定的电机运行最大允许±10%以内的电压波动的要求。

从表2、表3可知，若水下ROV POD选用3kV等级，初选需要1.5mm2截面线路，而此时电流为2A，无需进一步增加电压等级的必要。实际选用水下变压器T6输入端电压为3kV，脐带缆截面积为2mm2，每公里电阻值为10.7Ω，则其为70Ω。则按公式(2)计算满载电压降为280.3V。可以选定ROV水下POD升压变压器T6输出端电压为3150V，实际线路最大压降130.3V，实际相对水下变压器输入端电压压降百分比为-4.3%，可满足水下电子设备供电要求。

根据前文计算结果，采用MATLAB Simulink建立水下电机供电系统模型。其中水下电机额定端电压4160V，额定频率60Hz，额定功率112kW，额定电流19.7A。线路相等效电阻为10Ω。T1升压变压器二次端电压采用4300V/60Hz三相电源代替，分别计算在满载和空载时电压降情况，仿真结果如图3所示。

文章来源：《江苏海洋大学学报》 网址: http://www.hhgxyxb.cn/qikandaodu/2021/0321/584.html

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