JP4344791B2 - 海底ケーブルシステム及び海底給電分岐装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底給電分岐装置及び海底給電システムに関し、特に海底ケーブルをメッシュ状に施設するのに適した海底給電分岐装置及び海底給電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底地震発生機構の研究や海洋環境などの研究分野では、海底に地震計や津波計、温度計、流向流速計など、多数の観測機器を二次元的に配置し、そこからデータを取得したいという要望が有る。このような要望を実現する方法として、海底に設置された観測機器に海底ケーブルを接続し、観測機器に連続的に電力を供給するとともに連続的なデータ収集（通信）を行う観測システムを構築することが考えられる。
【０００３】
二次元的に配置された多数の観測機器に対して、個別に海底ケーブルを接続して給電及び通信を行うことは現実的ではない。また、１本の海底ケーブルに多数の観測機器を接続した場合は、海底ケーブルに障害が発生した場合に、その障害発生地点より端部側にある観測機器との給電及び通信が不可能となるため、信頼性に欠ける。従って、多数の観測機器を二次元的に配置した信頼性の高い海洋観測システムを構築するためには、メッシュ状の海底ケーブルシステム（給電システム）が必要である。しかしながら、このようなメッシュ状の海底ケーブルシステムは未だ実現されていない。
【０００４】
従来の海底ケーブルシステムとしては、通信用海底ケーブルシステムがよく知られている。
【０００５】
長尺の通信用海底ケーブルは、海底ケーブルの途中に挿入する中継器に電力を供給するための給電線を内部に含んでいる。海底ケーブルの細径化とコスト低減のため、給電線は１芯とし、電流の帰路には海水を用いている。また、陸揚げ局から行う給電は、中継器内の回路間の絶縁を容易にするとともに、海底ケーブルの短絡障害に対する耐久性を高めるために、定電流給電方式が採用されている。
【０００６】
仮に、中継器に対して定電圧給電を行うならば、中継器内の電子回路にはアースを組み込む必要がある。その結果、中継器内の電子回路に高電圧部と低電圧部が混在し、高電圧に耐えうる高価な電子部品が必要となる。また、回路と海水との間の絶縁の信頼性を保つために、回路の寸法も大型化する。
【０００７】
これに対し、定電流給電方式では、中継器内の電子回路にアースを組み込む必要がなく、回路内部の電位差が少ないため、高電位差に耐える高価な電子部品を使う必要がない。また、電子回路全体を絶縁体で覆うことにより海水からの絶縁が容易にできる。さらに、海底ケーブルに短絡障害が発生し、海底ケーブルの電位が低下した場合、定電圧給電方式は大きな影響を受けるが、定電流給電方式では短絡地点と陸揚げ局間の給電には大きな影響はない。
【０００８】
通信用海底ケーブルシステムのなかには、図１３に示すように海中分岐装置を用いて海底ケーブルを分岐させたものがある。このようなシステムは、海洋観測システムに応用できるように思える。しかしながら、図１３の海底ケーブルシステムでは、分岐した海底ケーブル４１ｂ及び４１ｃの各々の一端は、陸上の給電装置に接続しなければならず、また、それらの他端は、海中分岐装置４０ａ及び４０ｂ内の接地回路を介して海水に接地しなければならない。それゆえ、このような通信用海底ケーブルで用いられている給電システムでは、櫛形の海底ケーブルネットワークを構築することはできるが、メッシュ状の海底ケーブルネットワークを構築することはできない。
【０００９】
以上のような通信用海底ケーブルを参考にして提案された、従来の海底ケーブル給電システムを図１４に示す。
【００１０】
図１４の給電システムは、陸上に設置にされた陸上観測装置５０と、海中に設置された分岐装置５１及び海底観測装置５２とを有している。ここで、陸上観測装置５０は陸上給電装置５３を含み、分岐装置５１は電流リミッタを含んでいる。
【００１１】
陸上給電装置５３は、幹線系給電ライン５５に定電流給電を行なう。この定電流給電を受けた各分岐装置５１は、電流リミッタ５４を用いて分岐給電ライン５６、即ち、海底観測装置５２に定電流給電を行う。
【００１２】
ここで、電流リミッタ５４は、例えば、図１５に示すように構成されている。図１５では、幹線系給電ライン５５の給電電流を１Ａとし、各分岐系給電ライン５６の分岐電流を０．１Ａとしているが、分岐電流の電流値は、可変抵抗器ＲＶにより決定される。即ち、トランジスタＴＲのエミッタ電流は、ツェナーダイオードＲＣ１のツェナー電圧と可変抵抗器ＲＶの抵抗値とで決定される。そして、ツェナー電圧は安定化されているので、トランジスタＴＲのエミッタ電流は定電流化される（例えば、特許文献１参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−３０９５５３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の給電システムでは、次のような問題がある。
【００１５】
第１の問題点は、櫛形のケーブルシステムが構築可能であるが、２つの電流リミッタを分岐系給電ラインの両端に設け、同時に給電する機能がないため、メッシュ状の海底ケーブルシステムを構築することが困難なことである。
【００１６】
その理由は、分岐系給電ラインの両端に対向しておかれた２つの電流リミッタを同時に働かせ、電力を均等に分担させるためには、その電流値は精密に一致させる必要があるが、その電流制御が容易でないためである。
【００１７】
第２の問題点は、敷設後に新たに、分岐装置を追加したり、削除することが容易でないことである。
【００１８】
その理由は、分岐装置は定電流を分配しているだけなので、負荷が変わった場合には、海底に設置してある分岐装置内の電流リミッタの電流を制御する可変抵抗ＲＶを調整する必要があるためである。
【００１９】
第３の問題点は、幹線系給電ライン短絡障害を起こした場合、システムが停止してしまうことである。
【００２０】
その理由は、分岐給電装置は、幹線系給電ラインに対して並列に接続されているため、ケーブルが短絡障害を起こした場合、保護回路もないため、幹線系給電ラインの電位はほとんど０Ｖになり、各分岐装置は動作しなくなるためである。
【００２１】
第４の問題点は、電流の制限を抵抗で行なっているため、分岐装置の効率が悪いということである。
【００２２】
その理由は、分岐した電力の一部が、抵抗で消費されてしまうためである。消費された電力は熱に変わるため、放熱も考慮する必要がある。そのため、システム全体の電圧と電流の設計に大きな制約を受ける。
【００２３】
第５の問題点は、基幹系給電ラインと分岐系給電ラインに流れる電流の大きさが異なることである。そのため、複数の給電電流値に対応した海底中継器を用意する必要がある。
【００２４】
第６の問題点は、分岐装置の入力側と出力側が絶縁されていないため、その電位差は内部の電子部品の耐電圧により制限されることである。そのため、ケーブルシステム構成の設計に大きな制約を受け、柔軟な設計が困難となっている。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解決し、下記の海底給電分岐装置及び給電システムを提供することを目的とする。
【００２６】
（１）メッシュ状に海底ケーブルが接続される給電システム。
（２）海底給電分岐装置の追加、削除が容易にできる給電システム。
（３）幹線系給電ラインに短絡障害が生じた場合であっても全体が停止状態とならない給電システム。
（４）効率良く分岐系給電ラインに給電を行える海底給電分岐装置。
（５）基幹系給電ラインと分岐系給電ラインに流れる電流の大きさを等しくすることができる海底給電分岐装置。
（６）入力側と出力側が絶縁されている海底給電分岐装置。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の陸揚げ局内にそれぞれ置かれた複数の定電流給電装置と、該複数の定電流給電装置にそれぞれ接続され、接続された定電流給電装置からそれぞれ第１の定電流の給電を受ける複数の基幹海底ケーブルと、該複数の基幹海底ケーブルの各々に２つ以上挿入接続される複数の海底給電分岐装置と、該複数の海底給電分岐装置に接続される複数の副基幹海底ケーブルと、を備え、前記複数の海底給電分岐装置の各々は、入力端子、第１の出力端子、第２の出力端子及び接地端子を備えた定電流／定電流変換器を有するとともに、当該海底給電分岐装置が挿入接続される前記基幹海底ケーブルに隣接する他の基幹海底ケーブルに挿入接続される他の海底給電分岐装置と対をなし、対をなす前記海底給電分岐装置のうち一方の前記定電流／定電流変換器は、前記基幹海底ケーブルの上流側から前記入力端子に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子を介して前記基幹海底ケーブルの下流側へ供給するとともに、前記第１の定電流を利用して前記接地端子から前記第２の出力端子へ向かう第２の定電流を生成し、他方の海底給電分岐装置の定電流／定電流変換器は、前記基幹海底ケーブルの上流側から前記入力端子に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子を介して前記基幹海底ケーブルの下流側へ供給するとともに、前記第１の定電流を利用して前記第２の出力端子から前記接地端子へ向かう第２の定電流を生成し、前記複数の副基幹海底ケーブルの各々は、対をなす前記海底給電分岐装置の一方の前記第２の出力端子と他方の前記第２の出力端子との間に接続されている、ことを特徴とする海底給電システムが得られる。
【００２８】
具体的には、この海底給電分岐装置においては、前記定電流／定電流変換器が、一対の入力端子及び一対の出力端子と、これら一対の入力端子と一対の出力端子とを絶縁するためのトランスと、前記一対の入力端子と前記トランスの一次巻線との間に設けられ、前記制御回路によってオン／オフ制御され、前記第１の定電流を方形波に変換して前記トランスの一次側巻線に供給する一対のスイッチと、前記一対の入力端子間に接続された第１のコンデンサと、前記トランスの二次巻線と前記一対の出力端子との間に設けられ、当該トランスの二次巻線に流れる方形波を整流して前記第２の定電流を生成する一対のダイオード及び第２のコンデンサと、を有している。
【００２９】
上記海底給電分岐装置は、前記一対のスイッチを互いに独立してオン／オフ制御することにより、前記トランスの一次巻線に供給される前記方形波のデューティー比を制御し、これによって、前記第２の定電流を制御する。
【００３０】
また、上記海底給電分岐装置は、前記バイパス回路が、前記一対の入力端子間の電圧を検出し、所定値以上の場合に前記定電流／定電流変換器をバイパスさせる。
【００３１】
また、上記海底給電分岐装置は、前記一対の出力端子間に接続され、対向する海底給電分岐装置からの過剰な電流をバイパスするバイパス用ダイオードを有してよい。
【００３２】
さらに、上記海底給電分岐装置は、前記一対の出力端子間に接続され、傾斜抵抗値を変更するための抵抗を有してよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る給電システムの構成をブロック図である。この給電システムは、互いに離れた位置に設けられた複数（ここでは３個）の陸揚げ局（図示せず）にそれぞれ設置された定電流給電装置１，１ａ及び１ｂを有している。
【００３５】
各定電流給電装置１，１ａ及び１ｂには、それぞれ基幹海底ケーブル２，２ａ及び２ｂが接続されている。各基幹海底ケーブル２，２ａ及び２ｂの途中には、複数の海底給電分岐装置１０及び１０ａが挿入接続されている。
【００３６】
海底給電分岐装置１０及び１０ａの構成については後述するが、これらは基本的構成は同じで、海底給電分岐装置１０が、内部から出力端子へ向かって流れる定電流を生成し、海底給電分岐装置１０ａが、出力端子から内部へ向かって流れる定電流を生成するよう構成されている点で異なっている。
【００３７】
海底給電分岐装置１０及び１０ａの各々は、それが挿入接続されている基幹海底ケーブルとは異なる別の基幹海底ケーブルに挿入接続されている海底給電分岐装置１０ａ及び１０と対をなす。互いに対をなす２つの海底給電分岐装置１０と１０ａとの間には、副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ又は３ｃが接続される。例えば、基幹海底ケーブル２ａに挿入接続されている海底給電分岐装置１０ａは、図の左側に位置する基幹海底ケーブル２に挿入接続されている海底給電分岐装置１０と対をなす。また、基幹海底ケーブル２ａに挿入接続されている海底給電分岐装置１０は、図の右側に位置する基幹海底ケーブル２ｂに挿入接続されている海底給電分岐装置１０ａと対をなす。
【００３８】
副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ及び３ｃの各々には、観測部５が夫々接続された海底中継器２０が複数接続されている。
【００３９】
以上のような構成において、定電流給電装置１，１ａ及び１ｂは、各々に接続された基幹海底ケーブル２，２ａ及び２ｂを通じて海底給電分岐装置１０，１０ａに定電流を供給（給電）する。
【００４０】
定電流給電装置１，１ａ及び１ｂからの給電を受けた海底給電分岐装置１０は、それぞれ副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ又は３ｃに定電流を送り出す。一方、各海底給電分岐装置１０と対をなす海底給電分岐装置１０ａは、対をなす海底給電分岐装置１０から給電される定電流を吸い込む。なお、基幹海底ケーブル２，２ａ及び２ｂに流れる電流の帰路と、副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ及び３ｃに流れる電流の帰路には、海水を利用している。
【００４１】
副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ及び３ｃに挿入されている海底中継器２０は、海底給電分岐装置１０及び１０ａによって給電される定電流から、定電圧を作成し、観測装置５に定電圧給電する。
【００４２】
観測装置５は、海底中継器２０からの給電を受けて、所定の観測動作を行い、観測データを作成する。作成された観測データは、海底中継装置２０、副基幹海底ケーブル及び基幹海底ケーブルを介して所定の陸揚げ局に設けられた陸上観測装置へと送られる。
【００４３】
なお、海底中継器２０及び観測装置５は、公知のものが利用できる。
【００４４】
本実施の形態に係る給電システムでは、基幹海底ケーブル２，２ａ及び２ｂへの給電に定電流給電方式を用いているため、これら基幹海底ケーブル２，２ａ，２ｂに複数の海底給電分岐装置１０及び／又は１０ａを直列に接続することができる。そのため、基幹海底ケーブルの延長、海底給電分岐装置１０及び１０ａの増設が容易であり、基幹海底ケーブルに海底中継器２０と観測部５を設けることも容易である。その結果、図１に示すようなメッシュ状の海底ケーブルシステムを広範囲に建設することができる。
【００４５】
また、本実施の形態に係る給電システムでは、副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ，３ｃへの給電についても定電流給電を用いているため、副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに海底中継器２０（及び観測装置５）を挿入したり増設したりすることが容易にできる。
【００４６】
また、本実施の形態に係る給電システムでは、各海底中継器に対し、それぞれ異なる基幹海底ケーブルに接続された２つの海底給電分岐装置から給電を行うように構成されているので、基幹海底ケーブル及び副基幹海底ケーブルの短絡障害に対して高い耐性を有している。原理的には、短絡障害が１個所であれば、全ての（副基幹海底ケーブルに接続された）海底中継器に対して給電が可能である。
【００４７】
次に、図１の給電システムに用いられる海底給電分岐装置１０について詳細に説明する。
【００４８】
図２に、海底給電分岐装置１０の内部構成を示す。この海底給電分岐装置１０は、定電流／定電流変換器１７、スイッチ制御回路１４、通信装置１６、バイパス回路１１を有し、図示していない耐圧容器に収容されている。
【００４９】
定電流／定電流変換器１７の一対の入力端子は、海底給電分岐装置１０の入力端子１０１及び第１の出力端子１０２に接続されている。また、定電流／定電流変換器１７の一対の出力端子は、海底給電分岐装置１０の第２出力端子１０３及び接地端子１０４として使用される。
【００５０】
定電流／定電流変換器１７は、入力端子１０１と第１の出力端子１０２との間に接続されたコンデンサＣ１、第１の出力端子に接続された一対のスイッチＳ１及びＳ２、一次巻線の中点に入力端子１０１が接続され、一次巻線の両端にスイッチＳ１及びＳ２がそれぞれ接続されたトランスＴ１、トランスＴ１の二次巻線の両端にそれぞれ接続されるとともに第２の出力端子１０３に接続されたダイオードＤ１及びＤ２、一方の端子が第２の出力端子１０３に接続され、他方の端子がトランスＴ１の二次巻線の中点及び接地端子１０４に接続されたコンデンサＣ２、及び第２の出力端子１０３と接地端子１０４との間に接続されたバイパス用ダイオード１５とを有している。
【００５１】
スイッチ制御回路１４は、スイッチＳ１及びＳ２のオン／オフを制御する。スイッチＳ１をオン、スイッチＳ２をオフすると、入力端子１０１に供給された電流が、トランスＴ１の一次巻線を実線矢印Ｎ１で示す方向に流れる。また、スイッチＳ１をオフ、スイッチＳ２をオンすると、入力端子１０１に供給された電流が、トランスＴ１の一次巻線を破線矢印Ｎ１で示す方向に流れる。即ち、スイッチ制御回路１４は、スイッチＳ１及びＳ２を制御することにより、トランスＴ１の一次巻線に流れる電流を方形波にする。
【００５２】
バイパス回路１１は、スイッチ回路１３とそれを制御する電圧検出回路１２とを備えている。スイッチ回路１３は、通常オフ状態である。電圧検出回路１２は、入力端子１０１と第１の出力端子１０２との間の電位差を検出し、所定値以上の場合にスイッチ回路１３をオン状態にする。
【００５３】
通信装置１６は、図示しない陸揚げ局の地上観測装置等からの制御信号（コマンド）を受け、電圧検出回路１２及びスイッチ制御回路１４へ受信したコマンドを送る。また、通信装置１６は、この海底給電分岐装置１０内の各部の電圧・電流の測定結果を陸揚げ局に伝送する。通信装置１６と地上観測装置とを結ぶ信号伝送路としては、たとえば基幹海底ケーブルおよび副基幹海底ケーブル内の光ファイバが利用できる。
【００５４】
以下、この海底給電分岐装置１０の動作について説明する。
【００５５】
基幹海底ケーブル２から入力端子１０１に与えられた定電流は、コンデンサーＣ１及びトランスＴ１の一次側中点に入力される。トランスＴ１の一次側巻線に流れる電流は、スイッチＳ１及びＳ２のオン／オフを交互に繰り返すことにより方形波になる。なお、スイッチＳ１及びＳ２は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチである。
【００５６】
スイッチ制御回路１４は、後述するように、スイッチＳ１及びＳ２のオン／オフ制御を行い。トランスＴ１の一次側巻線に流れる電流を方形波にする。
【００５７】
コンデンサＣ１は、スイッチＳ１及びＳ２が同時にオフした場合に基幹海底ケーブル２に流れる定電流を吸収し、入力端子１０１に異常な高電圧が発生するのを防止する。また、コンデンサＣ１は、スイッチＳ１及びＳ２のスイッチング動作により発生する雑音が、基幹海底ケーブル２に伝搬するのを防止する役目も担っている。
【００５８】
トランスＴ１は、基幹海底ケーブル２と副基幹海底ケーブル３との間を絶縁した状態で、一次側（入力側ともいう）の電力を二次側（出力側ともいう）に供給する。トランスＴ１は、その一次巻線に方形波の電流が流れると、二次側巻線に同じく方形波の電流を発生させる。
【００５９】
ダイオードＤ１，Ｄ２及びコンデンサＣ２は、トランスＴ１の二次側巻線に発生する方形波の電流を整流し、平滑する。整流平滑された電流は、第２の出力端子へ供給され、副基幹海底ケーブル３へ出力される。
【００６０】
バイパス用ダイオード１５は、このバイパス用ダイオード１５を除く海底給電分岐装置１０のいずれかに故障が発生して二次側に出力がない場合、及びこの海底給電分岐装置１０の出力電流が、対向して接続されている海底給電分岐装置１０ａの出力電流より小さい場合に、海底給電分岐装置１０ａから供給される（余剰の）電流をバイパスする。バイパス用ダイオード１５の極性は、副基幹海底ケーブル３側がカソードになる。海底給電分岐装置１０ａでは、バイパス用ダイオード１５の極性は、海底給電分岐装置１０とは逆に副基幹海底ケーブル３側がアノードになる。
【００６１】
一方、バイパス回路１１は、トランスＴ１の二次側のラインが開放になった場合や、スイッチＳ１及びＳ２又はスイッチ制御回路１４が故障した場合などに発生する入力端子１０１の過電圧を検出し、入力端子１０１に供給される定電流を、定電流／定電流変換器１７をバイパスさせて、第１の出力端子へ供給する。定電流／定電流変換器１７をバイパスさせることにより、この海底給電分岐装置１０に過大な電圧が加わるのを防止する。
【００６２】
電圧検出回路１２は、この入力端子１０１の過電圧を検出し、スイッチ回路１３を制御する。電圧検出回路１２は、入力端子１０１の過電圧を検出すると、正常時開放のスイッチ回路１３に信号を送り、スイッチ回路１３を導通状態とする。こうして、定電流／定電流変換器１７がバイパスされる。
【００６３】
なお、電圧検出回路１２は、一旦過電圧を検知すると、それ以後、スイッチ回路１３の導通状態を保持する。これは、スイッチ回路１３にチャタリングが発生するのを防止するためである。電圧検出回路１２は、通信制御回路１６を介して陸揚げ局から送られてくるコマンドを受け取ると、スイッチ回路１３を解放状態に戻す。
【００６４】
次にスイッチＳ１及びＳ２の動作について、図３，図４のタイミングチャートを参照して説明する。
【００６５】
図３は、スイッチＳ１及びＳ２のデューティ比が５０％の時のタイミングチャートである。この場合、トランスＴ１の一次側と二次側の巻線比をＮ１／Ｎ２とすると、二次側の電流は、次式で求められるＩoutを振幅とする矩形波となる。
【００６６】
【数１】
Ｉout＝Ｎ１／Ｎ２×Ｉin
海底給電分岐装置１０は、この方形波の電流をダイオードＤ１及びＤ２と、コンデンサＣ２で整流、平滑して、振幅Ｉoutの直流定電流に変換し、出力する。なお、ここで言うデューティ比は、
【数２】
デューティ比＝（Ｔon／Ｔ）×１００ ［％］
とする。
【００６７】
図４は、デューティ比が５０％以下の時のタイミングチャートである。ここでは、スイッチＳ１とＳ２のデューティ比が等しくなるよう制御されている。
【００６８】
入力端子１０１には、スイッチＳ１及びＳ２のオン・オフに無関係に、常に振幅Ｉinの定電流が供給されている。従って、スイッチＳ１及びＳ２がともにオフとなる期間中は、コンデンサＣ１は定電流Ｉinで充電される。コンデンサＣ１に蓄積された電荷は、スイッチＳ１またはＳ２がオンした時にトランスＴ１に供給される。この時、トランスＴ１に供給される電流の振幅は、Ｉ１は、
【数３】
Ｉ１＝Ｔ／（２Ｔon）×Ｉin
で表される。このとき、二次側の出力電流は、
【数４】
Ｉ２＝Ｎ１／Ｎ２×Ｉ１
＝Ｎ１／Ｎ２×Ｔ／（２Ｔon）×Ｉin
と表される。また、二次側出力電流の平均値Ｉoutは、
【数５】
Ｉout＝（２Ｔon）／Ｔ×Ｉ２
＝Ｎ１／Ｎ２×Ｉin
で表される。
【００６９】
ここで、数式５は、数式１と同一であることから、トランスＴの一次巻線に流れる方形波のデューティ比を変化させても、第２の出力端子１０３に供給される平均出力電流に変化がないことが分かる。そして、このことは、スイッチＳ１とＳ２とが同時にオンする状態を回避できることを意味する。仮に、スイッチＳ１とＳ２とが同時にオンしたとすると、トランスＴ１の一次巻線がショート状態になり、コンデンサＣ１に貯まっている電荷が急激に流れ出し、トランスＴ１やコンデンサＣ１にストレスを加える恐れがある。従って、一次巻線に流れる方形波のデューティ比を５０％よりわずかに小さくすることにより、この問題を解消することができる。
【００７０】
図１に示す給電システムのように、対をなす海底給電分岐装置１０及び１０ａを用いて副期間海底ケーブル３の両端からほぼ均等な電力を分担するよう給電を行うには、これら対を成す海底給電分岐装置１０及び１０ａの出力電流値を同一に調整でき、且つその状態で安定することが必要である。以下に、図２の海底給電分岐装置１０が、この２つの必要条件を満たしていることを説明する。
【００７１】
まず、図２の海底給電分岐装置１０の出力電流値を調整する方法について説明する。
【００７２】
図５は、スイッチＳ１及びＳ２によってトランスＴ１の一次巻線に流れる電流のデューティ比を変えたときのタイミングチャートとトランスＴ１の二次巻線に流れる電流の波形を示した図である。
【００７３】
ここで、スイッチＳ１のデューティ比をｄ１＝Ｔon１／Ｔ、スイッチＳ２のデューティ比をｄ２＝Ｔon２／Ｔとする。また、
【数６】
Ｔon１＋Ｔon２＝Ｔ
すなわち、
【数７】
ｄ１＋ｄ２＝１
とする。
【００７４】
さて、Ｔon１に対応する二次側電流の振幅をＩout１、Ｔon２に対応する二次側電流の振幅をＩout２とし、二次側出力電流の振幅（Peak to Peak値）をＩoutp-pとすると、
【数８】
Ｉoutp-p＝Ｉout１＋Ｉout２
【数９】
Ｉoutp-p＝２×Ｎ１／Ｎ２×Ｉin
と表される。
【００７５】
さらに、トランスの二次側電流には直流は伝達されないことから、次式が成立する。
【００７６】
【数１０】
Ｔon１×Ｉout１＝Ｔon２×Ｉout２
また、整流後の二次側出力電流Ｉoutは、
【数１１】
Ｉout＝（Ｔon１×Ｉout１＋Ｔon２×Ｉout２）／Ｔ
で表される。
【００７７】
数式６から数式１１までを整理すると、次式が得られる。
【００７８】
【数１２】
Ｉout＝４ｄ１（１−ｄ１）×Ｎ１／Ｎ２×Ｉin
この式から、デューティ比ｄ１と出力電流Ｉoutと入力電流Ｉinの比Ｉout／Ｉinとの関係を求めると図６に示すようになる。
【００７９】
図６から分かるように、デューティ比ｄ１が０．５の場合に二次側電流Ｉoutは最大値Ｎ１／Ｎ２×Ｉinとなり、デューティ比ｄ１が０または１の場合に二次側出力電流は０となる。したがって、デューティ比ｄ１とｄ２を変えることにより、二次側出力電流Ｉｏｕｔを制御することができる。
【００８０】
次に、副基幹海底ケーブル３の両端に配置した２台の海底給電分岐装置１０，１０ａの出力電流値を同一に調整したときに、その状態で安定することを説明する。
【００８１】
図７は、電流／電流コンバータの出力電圧電流特性の実測例である。この測定には、図８に示すような回路を用いた。図８に示すように、電流／電流コンバータの入力には定電流源を用い、出力には可変抵抗を接続し、この可変抵抗の抵抗値を変えることにより、電流／電流コンバータの出力電圧電流特性を測定した。
【００８２】
図７を見ると、出力電圧が０．３Ｖから４１．１Ｖまで（＝４０．８Ｖ）変化するのに応じて、出力電流も６０９．８ｍＡから６０２．５ｍＡまで（＝７．３ｍＡ）変化していることが分かる。これは、出力電流が増加するのにつれて、トランスの出力インピーダンスによる電圧降下が生じているためである。ここで、出力電圧変動値（△Ｖ＝４０．８Ｖ）と出力電流変動値（△Ｉ＝７．３ｍＡ）との比（Ｒout＝ＤＶ／ＤＩ＝５．６ｋΩ）を傾斜抵抗Ｒoutと呼ぶことにする。この傾斜抵抗Ｒoutの働きにより、副基幹海底ケーブル３の両端に配置した２台の海底給電分岐装置の出力電流値が等しくなるよう調整したときに、その状態で安定する。
【００８３】
図９は、副基幹海底ケーブル３の両端に配置した２台の海底給電分岐装置の出力電圧電流特性とその動作電圧電流を説明する図である。図９では、説明を簡単化するために、副基幹海底ケーブル３の導体抵抗と副基幹海底ケーブル３に挿入されている中継器の電気抵抗とを合わせて、負荷抵抗Ｒとしている。また、２台の海底給電分岐装置の出力電圧電流特性は、それぞれ海底給電分岐装置−１の特性、海底給電分岐装置−２の特性、として表されている。さらに、それぞれの海底給電分岐装置の出力電圧が規定の値を超えないように、電圧制限が設けられている。また、２台の海底給電分岐装置１０と１０ａとは直列に接続されているので、その出力電流値は常に同一の値を取る。
【００８４】
ここで、出力電流をＩout、２台の海底給電分岐装置の出力電圧をそれぞれＶout１、Ｖout２とすると、２台の海底給電分岐装置を合成した海底給電分岐装置の出力電圧と電流はそれぞれＶout、Ｉoutとなる。ここで、
【数１３】
Ｖout＝Ｖout１＋Ｖout２
であるから、Ｉoutをパラメータとして、合成した出力電圧電流特性を描くと、図９の「合成した海底給電分岐装置の特性」を描くことができる。また、負荷抵抗Ｒを考慮すると、図９に負荷特性
【数１４】
Ｖout＝Ｒ×Ｉout
を描くことができる。全体回路の動作点はこの負荷特性と合成した海底給電分岐装置の特性の交点となる。また、２台の海底給電分岐装置１０及び１０ａの動作電圧は、それぞれＶoutop１、Ｖoutop２となる。このように動作点は２つの特性の交点として求められるので、安定な動作点となる。なお、動作電流は、Ｉoutopで表されている。
【００８５】
以上述べたように、安定な動作点を求めることができるのは、海底給電分岐装置に傾斜抵抗があるためである。仮に、海底給電分岐装置が理想的な定電流源となり、傾斜抵抗値が無限大となった場合には、２台の海底給電分岐装置で電力を分担しながら給電することができない。この場合、出力電流が大きい方の海底給電分岐装置がすべての電力を分担し、他方の海底給電分岐装置の出力電圧は０Ｖとなる。
【００８６】
このように、図２の海底給電分岐装置１０及び同様に構成された海底給電分岐装置１０ａとを用いることにより、図１に示す海底給電システムを構成することができる。つまり、陸上に設置する定電流給電装置１，１ａ及び１ｂは基幹海底ケーブル２，２ａ又は２ｂを通じて定電流を海底給電分岐装置１０及び１０ａに給電する。海底給電分岐装置１０と１０ａは、定電流給電装置から供給される定電流を電源として、副基幹海底ケーブル３を介して海底中継器２０に定電流給電を行う。海底給電分岐装置１０と１０ａが行う給電は、その電流の向きが互いに逆で、その値は同じである。また、海底給電分岐装置１０と１０ａとは、ほぼ均等に電力を分担する。さらに基幹海底ケーブル２，２ａ，２ｂには複数の海底給電分岐装置１０，１０ａを配置することが可能で、副基幹海底ケーブル３，３ａ，３ｂ，３ｃと海底中継器２０（および観測部５）をメッシュ状に展開することができる。
【００８７】
図２の海底給電分岐装置は、大きな電力損失を発生する部品がないので、効率良く第２の定電流を生成することができる。
【００８８】
また、この海底給電分岐装置は、入力側と出力側とが絶縁されているので、基幹海底ケーブルと副基幹海底ケーブルとの間の電位差を許容することができ、柔軟な給電システムの構築を可能にする。
【００８９】
さらに、この海底給電分岐装置は、基幹海底ケーブルと副基幹海底ケーブルに同じ値を持つ定電流を供給することが可能なので、基幹海底ケーブルと副基幹海底ケーブルとに対して同一構成の海底中継器を挿入接続することを可能にする。
【００９０】
次に、図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る海底給電分岐装置１０−２について説明する。
【００９１】
図１０の海底給電分岐装置１０−２は、抵抗器１８を有している点で、図２のものと異なっている。
【００９２】
抵抗器１８は、第２の出力端子１０３と接地端子１０４との間に接続されている。この抵抗器１８は、海底給電分岐装置１０−２の傾斜抵抗値Ｒを海底給電分岐装置１０のものより小さくする。その結果、対向して設置される２台の海底給電分岐装置の電流設定値の許容範囲を拡大することが可能となる。
【００９３】
次に、図１１を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る海底給電分岐装置１０−３について説明する。
【００９４】
図１１の海底給電分岐装置１０−３は、図２の海底給電分岐装置１０を２個用意し、互いに接続したものである。即ち、一方の海底給電分岐装置１０の第１の出力端子１０２と他方の海底給電分岐装置１０の入力端子１０１とを接続するとともに、一方の海底給電分岐装置１０の接地端子１０４と他方の海底給電分岐装置１０の第２の出力端子１０３とを接続している。
【００９５】
図１１の海底給電分岐装置１０−３を正常に動作させるためには、２個の海底給電分岐装置１０にそれぞれ含まれている２つの定電流／定電流変換器１７の出力電流を一致させる必要がある。これは、各定電流／定電流変換器１７におけるスイッチＳ１及びＳ２のデューティ比を制御することにより実現できる。即ち、各定電流／定電流変換器１７におけるスイッチＳ１及びＳ２のデューティ比を制御すれば、その出力電流を制御することができ、傾斜抵抗の働きによって、２つの定電流／定電流変換器１７の出力電流は一致した状態で安定する。
【００９６】
図１１の海底給電分岐装置１０−３は、図２の海底給電分岐装置１０に比べて、その出力電圧を高くすることができるので、副基幹海底ケーブル３に対して、より大きい電力を供給することができる。
【００９７】
なお、本実施の形態においては、２個の海底給電分岐装置１０を直列に接続する場合について説明したが、３個以上の海底給電分岐装置１０を直列に接続することも可能である。
【００９８】
次に、図１２を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。
【００９９】
図１２の海底給電分岐装置１０−４は、トランスＴ１の一次巻線に設けられた複数のタップ１０５，１０６が設けられた一次巻線を有するトランスＴ２を有している。また、トランスＴ２の一次巻線の両端及びタップ１０５，１０６に接続されたスイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６を有している。
【０１００】
スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６は、スイッチ制御回路１４によって、オン／オフ制御される。スイッチ制御回路１４は、陸揚げ局からの制御信号を通信装置１６を介して受け、その制御信号に従って、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６のオン／オフを制御する。
【０１０１】
スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６のうちの２つを選択的にオンさせると、トランスＴ２の一次巻線の有効長（実際に電流が流れる経路の長さ）が決る。即ち、スイッチＳ３，Ｓ４，Ｓ５及びＳ６のオン／オフ制御により、トランスＴ２の一次巻線の有効長を変更することができる。これにより、トランスＴ１の巻き線比Ｎ２／Ｎ１を変更することができ、その出力電流の可変範囲を、図２の海底給電分岐装置よりも拡大することができる。
【０１０２】
以上、本発明について実施の形態に基いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、海底中継器が副基幹海底ケーブルにのみ挿入接続されている場合について説明したが、海底中継器は、基幹海底ケーブルにも挿入接続することができる。また、図１０や図１２に示す海底給電分岐装置を図１１に示すように直列に接続するようにしてもよい。また、図１２の海底給電分岐装置に図１０に示す抵抗器１８を接続するようにしてもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明によれば、海底給電分岐装置に、入力側と出力側とを絶縁した状態で第１の定電流から第２の定電流を生成する定電流／定電流変換器と、第２の定電流を制御するために定電流／定電流変換器を制御する制御回路と、定電流／定電流変換器をバイパスするバイパス回路とを備えたことで、メッシュ状の給電システムを構築することができる。
【０１０４】
そして、このメッシュ状の給電システムでは、海底ケーブルの延長、海底給電分岐装置の増設及び削除、海底中継器の増設及び削除が容易にできる。また、このメッシュ状給電システムは、障害に対する耐性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る給電システムのブロック図である。
【図２】図１の給電システムに使用される海底給電分岐装置の構成を示す回路図である。
【図３】図２の海底給電分岐装置の動作を説明するためのタイミングチャートであって、スイッチＳ１及びＳ２のデューティ比が５０％の場合を示すタイミングチャートである。
【図４】図２の海底給電分岐装置の動作を説明するためのタイミングチャートであって、スイッチＳ１及びＳ２のデューティ比が５０％以下の場合を示すタイミングチャートである。
【図５】図２の海底給電分岐装置のスイッチＳ１及びＳ２のデューティ比が互いに異なる場合のタイミングチャートと出力電流波形を示す図である。
【図６】図２の海底給電分岐装置のスイッチＳ１及びＳ２のデューティ比と出力電流との関係を示すグラフである。
【図７】電流／電流変換器の出力電圧電流特性を実測した結果を示すグラフである。
【図８】図７に示す特性の測定に用いた測定回路の回路図である。
【図９】対をなす海底給電分岐装置の動作点を説明するためのグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る海底給電分岐装置の回路図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る海底給電分岐装置の回路図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る海底給電分岐装置の回路図である。
【図１３】従来の通信用海底ケーブルシステムの一例を示す図である。
【図１４】従来の海底ケーブル給電システムを示す図である。
【図１５】図１４の海底ケーブル給電システムに用いられる電流リミッタの回路図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ 定電流給電装置
２，２ａ，２ｂ 基幹海底ケーブル
３，３ａ，３ｂ，３ｃ 副基幹海底ケーブル
５ 観測装置
１０，１０ａ 海底給電分岐装置
１０−２，１０−３，１０−４ 海底給電分岐装置
１０１ 入力端子
１０２ 第１の出力端子
１０３ 第２の出力端子
１０４ 接地端子
１１ バイパス回路
１２ 電圧検出回路
１３ スイッチ回路
１４ スイッチ制御回路
１５ バイパス用ダイオード
１６ 通信装置
１７ 定電流／定電流変換器
１８ 抵抗器
２０ 海底中継器
４０ａ，４０ｂ 海中分岐装置
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ．４１ｄ，４１ｅ 海底ケーブル
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ 給電装置
５０ 陸上観測装置
５１ 分岐装置
５２ 海底観測装置
５３ 陸上給電装置
５４ 電流リミッタ
５５ 幹線系給電ライン
５６ 分岐系給電ライン

Claims (4)

1. 複数の陸揚げ局内にそれぞれ置かれた複数の定電流給電装置と、
   該複数の定電流給電装置にそれぞれ接続され、接続された定電流給電装置からそれぞれ第１の定電流の給電を受ける複数の基幹海底ケーブルと、
   該複数の基幹海底ケーブルの各々に２つ以上挿入接続される複数の海底給電分岐装置と、
   該複数の海底給電分岐装置に接続される複数の副基幹海底ケーブルと、を備え、
   前記複数の海底給電分岐装置の各々は、入力端子、第１の出力端子、第２の出力端子及び接地端子を備えた定電流／定電流変換器を有するとともに、当該海底給電分岐装置が挿入接続される前記基幹海底ケーブルに隣接する他の基幹海底ケーブルに挿入接続される他の海底給電分岐装置と対をなし、
   対をなす前記海底給電分岐装置のうち一方の前記定電流／定電流変換器は、前記基幹海底ケーブルの上流側から前記入力端子に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子を介して前記基幹海底ケーブルの下流側へ供給するとともに、前記第１の定電流を利用して前記接地端子から前記第２の出力端子へ向かう第２の定電流を生成し、他方の海底給電分岐装置の定電流／定電流変換器は、前記基幹海底ケーブルの上流側から前記入力端子に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子を介して前記基幹海底ケーブルの下流側へ供給するとともに、前記第１の定電流を利用して前記第２の出力端子から前記接地端子へ向かう第２の定電流を生成し、
   前記複数の副基幹海底ケーブルの各々は、対をなす前記海底給電分岐装置の一方の前記第２の出力端子と他方の前記第２の出力端子との間に接続されている、
   ことを特徴とする海底給電システム。
2. 請求項１に記載された海底給電システムにおいて、
   前記複数の海底給電分岐装置の各々は、前記定電流／定電流変換器を制御して前記第２の定電流を制御する制御回路をさらに備え、
   前記定電流／定電流変換器は、
   前記入力端子及び前記第１の出力端子側と、前記第２の出力端子及び前記接地端子側とを絶縁するためのトランスと、
   前記トランスの一次巻線の両端の各々と前記第１の出力端子との間に接続され、前記制御回路の制御により交互にオンして、前記入力端子から前記トランスの一次巻線の中点に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子へ供給する一対のスイッチと、
   前記入力端子と前記第１の出力端子との間に接続された第１のコンデンサと、
   前記トランスの二次巻線の両端の各々と前記第２の出力端子との間に接続され、前記接地端子に接続された前記トランスの二次巻線の中点を境とする両側の部分に生じる電流を整流する一対のダイオードと、
   前記第２の出力端子と前記接地端子との間に接続された第２のコンデンサとを、
   有していることを特徴とする海底給電システム。
3. 請求項２に記載された海底給電システムにおいて、
   前記制御回路は、
   前記一対のスイッチを交互にオンするように制御することによって、前記第１の入力端子に供給される第一の定電流を前記第１の出力端子へ供給するとともに、前記接地端子及び前記第２の出力端子の間に一方から他方へ向かう第２の定電流を制御することを特徴とする海底給電システム。
4. 請求項３に記載された海底給電システムにおいて、前記海底給電分岐装置が、前記入力端子と前記第１の出力端子間の電圧が所定電圧以上の場合に前記入力端子に供給される前記第１の定電流を前記第１の出力端子へバイパスさせるバイパス回路、をさらに備えたことを特徴とする海底給電システム。

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