JP3687073B2

JP3687073B2 - 海底分岐装置

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Publication number: JP3687073B2
Application number: JP2002347756A
Authority: JP
Inventors: 清志佐々木; 勝青柳; 勝義川口
Original assignee: Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Current assignee: Japan Agency for Marine Earth Science and Technology
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: JP2003224497A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底観測システムに関し、特に、海底光ケーブルの給電電流を分岐させる海底分岐装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底観測システムは、遠洋の海底に設置される海底局と、陸上に設置される陸揚げ局と、これらの間を接続する海底光ケーブルとを有している。海底局は、その目的に応じて、プレートの移動、海流の状態、海水の成分等を観測する海底観測機器を備えている。また、陸揚げ局は、海底観測機器を制御し、観測結果を収集分析する制御装置及び海底観測機器に電力を供給する給電装置を備えている。海底光ケーブルは、光通信システムにおいて使用される海底光ケーブルと同様のものであって、少なくとも、一対の光ファイバ及び一つの給電線を有している。光ファイバは、海底観測機器と制御装置との間の制御信号及び観測結果信号のやりとりに使用され、給電線は、陸揚げ局に設けられた給電装置から海底観測機器へ電力を供給するために使用される。
【０００３】
さて、海底観測システムの設置場所、特に陸揚げ局から深海底へと伸びる海底光ケーブルの設置場所は、漁業権（底引き網漁の漁場）などとの関係から、その確保は容易でない。このため、一つの陸揚げ局に複数の海底局を接続したシステムを構築することが望まれる。
【０００４】
従来の海底観測システムは、海底光ケーブルを用いる通信システムを参考にして構成されており、複数の海底局を一つの陸揚げ局に接続する場合、これら複数の海底局は、海底光ケーブルを用いて直列に接続される。そして、各海底局への給電は、光通信システムにおいて複数の海底中継装置に給電するのと同様に行なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複数の海底局を直列に接続すると、海底光ケーブルの延べ長さが長くなり、システムの信頼性が低下するとともに、給電電圧を高くしなければならなくなるため、海底観測機器を含む全ての機器及び給電線の耐圧を向上させなければならず、コストの上昇を招くという問題点がある。
【０００６】
本発明は、海底光ケーブルの給電電流を分岐するための海底分岐装置を提供することにより、単一の陸揚げ局に複数の海底局を並列接続することを可能にし、もってシステムの信頼性向上とコストの低減を実現することを目的とする。
【０００７】
なお、海底光ケーブルを用いる通信システムの分野では、３つの海底光ケーブルに接続され、海底ケーブル内の光ファイバを対地別に分岐する海底分岐装置なるものが既に実現されている。しかしながら、この海底分岐装置は、例えばＡ局とＢ局とを接続する海底光ケーブルと、Ａ局とＣ局とを接続する海底光ケーブルのうち、Ａ局に接続された部分を一本のケーブルにするためのものであって、基本的には、２本のケーブルを１本にまとめるためのものに過ぎない。つまり、１つの給電装置から２つの給電線に給電を行うものではない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、給電装置を備えた陸揚げ局と、前記給電装置からの給電を受ける海底局とを含み、前記給電装置から前記海底局への給電を給電線を通して行う海底観測システムに用いられる海底分岐装置において、入力される給電電流を分岐する分岐線路と、該分岐線路により分岐された給電電流をそれぞれ制御する電流安定化回路とを備え、複数の前記給電線に対して実質上独立して給電できるようにしたことを特徴とする海底分岐装置が得られる。
【００１０】
また、前記分岐線路に代えて、入力される給電電流を２つの出力へ周期的に切り換え供給する切り換えスイッチを備えるとともに、前記電流安定化回路に代えて、前記切り換えスイッチの出力に対してそれぞれ平滑処理を行う平滑回路を備えることを特徴とする海底分岐装置が得られる。
【００１１】
この海底装置は、光ファイバーと給電線とを備えた海底光ケーブルに対応し、給電元海底光ケーブルの給電線からの給電電流を前記分岐線路で分岐し、前記電流安定化回路を介して給電先海底光ケーブルの給電線に供給するとともに、給電元海底光ケーブルの光ファイバーを給電先海底光ケーブルの光ファイバーにそれぞれ接続する。
【００１２】
さらに本発明によれば、入力された給電電流を２分岐する分岐線路と、該分岐線路の２つの出力側に互いに逆極性となるよう接続され、分岐された給電電流をそれぞれ整流する半波整流器と、該半波整流器の出力をそれぞれ平滑処理する平滑回路とを備えていることを特徴とする海底分岐装置が得られる。
この海底分岐装置には、給電装置として、定電流特性を持つ交流を発生させるとともに、出力電圧が所定値の範囲から外れたとき出力を停止する交流給電装置が使用できる。
【００１３】
この海底分岐装置も、光ファイバーと給電線とを備えた海底光ケーブルに対応し、給電元海底光ケーブルの給電線からの給電電流を前記切り換えスイッチで切り替え、前記平滑回路を介して給電先海底光ケーブルの給電線に供給するとともに、給電元海底光ケーブルの光ファイバーを給電先海底光ケーブルの光ファイバーにそれぞれ接続する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１に、本発明の第１の実施の形態の原理を説明するための給電回路を示す。図１の給電回路は、直流給電装置１１、直流給電装置に接続された給電線１２、給電線１２に接続された海底分岐装置１３、及び海底分岐装置１３に接続された２つの給電線１４及び１５を有している。また、海底分岐装置１３は、給電線１２と１４との間、及び給電線１２と１５との間にそれぞれ接続された電流制御回路１６及び１７を有している。なお、給電を受ける海底観測機器（図２参照）は、給電線１４及び１５にそれぞれ接続される。
【００１６】
この給電回路では、直流給電装置１１から海底観測機器への給電は、給電線１２、海底分岐装置１３の電流制御回路１６、及び給電線１４を通して、または、給電線１２、海底分岐装置１３の電流制御回路１７、及び給電線１５を通して行なわれる。なお、給電帰路は大地である。
【００１７】
この給電回路では、電流制御回路の内部抵抗を非常に高くしてある（一般に、電流制御回路の内部抵抗は非常に高い）ので、給電線１４及び１５のうちのいずれか一方に、断線や地絡等の障害が発生しても、他方への給電にはほとんど影響がない。即ち、この給電回路は、給電線１４及び１５に対して実質的に独立して給電を行うことができる。
【００１８】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。なお、ここでは、給電に関する部分のみを示し、信号伝送を担う光ファイバーや、制御装置等については図示を省略する。
【００１９】
図２の海底観測システムは、陸上に設置される陸揚げ局２１と、複数の海底局２２，２３、及び２４と、海底分岐装置２５と、これらを互いに接続する海底光ケーブルとを有している。
【００２０】
各海底光ケーブルは、複数の光ファイバー（図示せず）と一つの給電線とを備えている。陸揚げ局２１と海底局２２とを接続する海底光ケーブルの給電線と、海底局２２と海底分岐装置２５とを接続する海底光ケーブルの給電線とが、図１の給電線１２に相当し、海底分岐装置２５と海底局２３とを接続する海底光ケーブルの給電線が図１の給電線１４に相当する。また、海底分岐装置２５と海底局２３とを接続する海底光ケーブルの給電線が図１の給電線１５に相当する。
【００２１】
また、海底分岐装置２５は、海底局２２に接続された海底光ケーブルの給電線を２分岐するための分岐線路と、分岐線路の分岐側にそれぞれ接続された電流制御回路（定電流回路）としての電流安定化回路２６，２７と、これらを収容する対水圧筐体２８と、対水圧筐体２８からの放熱（即ち、電流安定化回路２６，２７の放熱）を促すために、その外面に固定された放熱用アダプタ（放熱用フィン）２９とを有している。
【００２２】
図２の電流安定化回路２６，２７は、最も簡単な構成例であって、それぞれ、１個のトランジスタ、２個の抵抗、及び１個のツェナーダイオードで構成されている。この電流安定化回路２６，２７は、印加される給電電圧及び自己の負荷抵抗の値に関わらず、それぞれ電流値Ｋの出力電流を出力するように調整されている。ここで、電流値Ｋは、海底局２３，２４の海底観測機器３０，３１が、それぞれ、その動作に必要とする電流値に相当する。詳述すると、海底観測機器３０，３１は、それぞれ、図３に示すように給電線に接続されており、Ｋ以上の電流の供給を受けて動作するが、Ｋを越える過剰な電流はバイパスするように構成されている。海底局２２の海底観測機器３２についても同様であって、この海底観測システムでは、全ての海底局を同一構成とすることができる。なお、ここでいう海底観測機器には、実際に観測を行う機器のみならず、陸揚げ局２１の制御装置と交信するための伝送装置など、海底局に備えられた全ての電気、電子機器が含まれる。
【００２３】
陸揚げ局２１には、海底局に電力を供給するための直流定電流給電装置３２が設けられている。この直流定電流給電装置３２は、電流値２Ｋ（即ちＫの２倍）の定電流を出力するが、その出力電圧が所定の電圧以上に上昇した場合には、出力電流値をＫに低下させる。また、出力電流がＫよりも所定値以上低下したときには、その出力を停止する。
【００２４】
次に、この海底観測システムの給電動作について説明する。
【００２５】
まず、このシステム全体が正常に動作している場合について説明する。この場合、直流定電流給電装置３２は、電流値２Ｋの出力電流を給電線１２へ供給する。この電流は、海底局２２の海底観測機器を動作させ、海底分岐装置２５へと送られる。海底分岐装置２５は、電流安定化装置２６，２７の働きにより、入力された２Ｋの電流をＫずつの電流に分岐して、給電線１４及び１５へそれぞれ供給する。給電線１４及び１５に供給されたＫの電流は、それぞれ海底局２３及び２４の海底観測機器３０及び３１を動作させる。
【００２６】
なお、電流安定化装置２６及び２７の出力側の電圧は互いに等しくなくてもよい。即ち、電流安定化装置２６及び２７は、それぞれ独立に入力電圧と出力電圧との差と電流Ｋとの積に等しい電力を熱として放出しており、その出力側の抵抗値に係らず、電流Ｋを出力する。
【００２７】
次に、給電線１４，１５にいずれか一方が断線した場合について説明する。給電線１４または１５が断線すると、そこに流れていた電流Ｋに相当する分だけ、給電線１２に流れる電流が減少する。即ち、給電線１２に流れる電流が２ＫからＫへと減少しようとする。このとき、直流定電流給電装置３２は、給電線１２に電流２Ｋを流しつづけようとして、その出力電圧を上昇させる。そして、ある程度出力電圧を上昇させても、出力電流を２Ｋにすることができない場合、直流定電流給電装置３２は、給電線１４又は１５に断線が生じたと判断して、その出力電流の値をＫに変更する。即ち、直流定電流給電装置３２は、出力電圧が予め定めた所定の電圧値以上になると、出力電流の値をＫにする。その結果、電流安定化装置２６及び２７には、正常時と同一か、実質上等しい電圧が印可され、正常な給電線１５又は１４には、正常時と変わりない給電が行なわれる。
【００２８】
次に、給電線１４，１５のいずれか一方が地絡した場合について説明する。給電線１４又は１５が地絡した場合、地絡した給電線に接続された電流安定化装置２６又は２７の出力電圧は、その地絡点に応じて低下する。しかしながら、その電流安定化装置の出力電流は一定である。つまり、給電線１４又は１５が地絡すると、地絡下給電線に接続された電流安定化装置での消費電力が増加するが、それ以外は、正常時と変わりがない。つまり、給電線１４，１５の一方に地絡が生じても、他方の給電には全く影響がない。
【００２９】
給電線１４，１５が共に地絡した場合は、いずれか一方が地絡した場合と同様、電流安定化装置２６，２７での消費電力が増加する以外は、正常時と変わりないため、海底局２２への給電は続けられる。
【００３０】
また、給電線１４，１５が共に断線した場合または給電線１２が断線した場合は、直流定電流給電装置３２の出力電流値がＫを下回る。直流定電流給電装置３２は、出力電流値をＫにしようと出力電流を上昇させるが、出力電流は零に向かう。そこで、直流電流給電装置３２は、出力電圧を所定量上昇させても出力電流値Ｋを得ることができないとき、あるいは、出力電流値が零になったときに、給電（出力）を停止する。
【００３１】
また、給電線１２が地絡した場合は、その地絡地点が海底局２２よりも海底分岐装置２５側であれば、直流電流給電装置３２の出力電圧の低下があるものの、海底局２２への給電は継続することができる。
【００３２】
以上が本実施の形態による海底観測システムの給電動作であるが、障害中は、あるいは正常時においても給電線１４，１５の直流抵抗のバランスが極端に悪い場合は、海底分岐装置２５の中で大きい電力を消費させなければならない場合がある。このため、海底分岐装置２５には、電力消費に伴い発生した熱を海中に放出するための放熱用アダプタ２９を取り付けてある。なお、海底分岐装置２５の対海水接触面積を大きくして放熱効果を高める手段としては、放熱用アダプタ２９を設ける以外に、筐体自身の表面に襞や皺を形成するようにしてもよい。
【００３３】
なお、上記の様な給電線１４，１５の直流抵抗のアンバランスを改善するために、抵抗が小さい方の給電線に抵抗を追加してバランスをとるという方法が考えられるが、追加抵抗は、給電線、海底測定機器、あるいは海底測定機器を接地するための海底接地電極（シーアース）のいずれにも接続することが可能である。
【００３４】
以上述べたように、本実施に形態による海底観測システムでは、海底分岐装置を用いることにより、１本の給電線からの給電電流を２本の給電線に独立に分岐給電することができる。
【００３５】
次に、図４乃至図６を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図中、図１乃至図３示すものと同一ものには同一の番号を付与してある。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施の形態の原理を説明するための給電回路を示す図である。この給電回路は、図１に示す給電回路とほぼ同一の構成であるが、海底分岐回路１３が、切替スイッチ４１を備えている点で図１のものと異なっている。この給電回路では、切替スイッチ４１を周期的に切り換えることで、給電線１４，１５にそれぞれ独立して（時分割で）給電を行うことができる。この給電回路では、各給電線１４，１５に供給される給電電流がパルス状となってしまうが、平滑処理を行うことにより直流電流に変換することができる。
【００３７】
次に、図５を参照して本発明の第２の実施の形態について詳細に説明する。
【００３８】
実際に海底観測システムを構築する際に、図４に示すような切替スイッチ４１を用いる給電回路を採用すると、信頼性や雑音の問題が生じ易い。そこで、図５の海底観測システムでは、陸揚げ局２１において交流給電装置５１を用いるようにしている。
【００３９】
交流給電装置５１は、交流を定電流特性をもって発生させる。即ち、交流給電装置５１は、その実効電流値が一定となるように給電を行う。また、交流給電装置５１は、出力電圧（ここでは、実効電圧値を指す）が所定の電圧範囲から外れた場合に給電を停止する。
【００４０】
海底分岐装置２５には、陸揚げ局２１に交流給電装置５１を設けたことに対応して、切替スイッチに相当する整流装置５２が設けられている。この整流装置５２は、一対の半波整流器（整流ダイオード）５３，５４を備えている。また、海底分岐装置２５は、整流装置５２と給電線１４，１５の各々との間に接続された、平滑回路５５，５６を有している。
【００４１】
この海底観測システムでは、海底局２２の海底観測機器３２に交流が供給されることになる。また、海底局２４の海底観測機器３１には、図２の場合とは逆方向の直流電流が流れる。そこで、海底観測機器３２への給電は、例えば、図６に示すように整流回路（ブリッジ型整流器）と平滑回路との組み合わせを介して行なわれる。ここで、図６の整流回路と平滑回路との組み合わせを、電源回路として海底観測機器に組み込むようにすれば、全ての海底局２２，２３、及び２４で、同一構成の海底観測機器を用いることができる。即ち、このような電源回路を備えた海底観測機器は、所定値以上の交流電流、あるいは任意の向きの所定値以上の直流電流で動作する海底観測機器となる。
【００４２】
次に、図５の海底観測システムにおける給電動作について説明する。
【００４３】
まず、正常時は、交流給電装置５１から給電線１２を通して給電線１４，１５へ給電が行なわれる。このとき、給電線１２には交流電流が、給電線１４，１５には、整流装置５２及び平滑回路５５，５６の働きによりそれぞれ直流電流が給電される。
【００４４】
次に、給電線１４、１５のいずれか一方が断線した場合について説明する。この場合、交流給電装置５１が交流電流を給電線１２に給電しようとしても、正または負の電流を流すことができない。即ち、給電線１２には、半波整流された直流が流れる。しかし、このことは給電線１４，１５の他方への給電には、全く影響しない。また、海底局２２の海底観測機器３２への給電も、海底観測機器３２の給電線１２への接続が図６のように行なわれているため、影響を受けない。
【００４５】
次に、給電線１４，１５のいずれか一方が地絡した場合について説明する。この場合、交流給電装置２１が定電流特性をもっていることから、給電線１２上には正常に交流電流が流れる。ただし、交流給電装置の出力電圧は、正側または負側の電圧が正常値より低電圧となり、出力電圧に直流成分が乗ることになる。しかし、海底局２２の海底観測機器３２及び正常な給電線１４または１５に接続された海底局２３または２４の海底観測機器には、正常に交流電流または半波整流された電流が給電される。
【００４６】
以上のように、本実施の形態による海底観測システムでは、１つの交流給電装置５１から２つの給電線１４，１５に実質上独立に給電することが可能で、給電線１４または１５に断線または地絡が生じても、正常な給電線１５または１４には、その後の正常な給電を行うことができる。
【００４７】
給電線１２が断線、あるいは給電線１４，１５が共に断線した場合は、交流給電装置５１の出力電圧が所定値以上となるので、交流給電装置５１は、その給電を停止する。
【００４８】
また、給電線１２が地絡、あるいは給電線１４及び１５が同時に地絡した場合は、交流給電装置５１は、正常時と同じ出力電流を給電線１２へ供給する。従って、その障害発生位置により、電流の供給を受けることができる海底観測機器は正常に動作する。但し、交流給電装置５１は、その出力電圧が所定値以下となった場合には、その給電を停止する。
【００４９】
上記の様な障害発生時には、給電回路全体に直流が流れることがある。従って、交流給電装置５１は、その様な状況に対処できるよう設計しておく必要がある。
【００５０】
以上述べたように本実施の形態による海底観測システムでも、複数の給電線に独立に給電が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の給電線に実質上独立した給電を可能にする海底分岐装置を提供することにより、単一の陸揚げ局に複数の海底局を並列接続することを可能にし、もってシステムの信頼性向上とコストの低減を実現することができる。
【００５２】
詳述すると、本発明によれば、給電線を複数有する高価な新しい海底ケーブルを開発する必要もなく、また全海底機器を直列接続することによる海底観測システムの信頼性低下、給電電圧上昇を招くこともなく、単一の陸揚げ局に接続される海底観測機器を増やすことができる。また、本発明の海底分岐装置を利用すれば、新たに陸揚げ局を設置することなく新ケーブルルートを伸張させることも可能で、経済的に海底観測システムを展開することが可能となり、地震予知を初めとする地球物理学、海洋環境学等の発展に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に採用される給電回路の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による海底観測システムを示すブロック図である。
【図３】図２の海底観測システムにおける、給電線への海底観測機器の接続方法を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に採用される給電回路の原理を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による海底観測システムを示すブロック図である。
【図６】図５の海底観測システムにおける、給電線への海底観測機器の接続方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１１直流給電装置
１２給電線
１３海底分岐装置
１４，１５給電線
１６，１７電流制御回路
２１陸揚げ局
２２，２３，２４海底局
２５海底分岐装置
２６，２７電流安定化回路
２８対水圧筐体
２９放熱用アダプタ
３０，３１，３２海底観測機器
４１切替スイッチ
５１交流給電装置
５２整流装置
５３，５４半波整流器
５５，５６平滑回路

Claims

給電装置を備えた陸揚げ局と、前記給電装置からの給電を受ける海底局とを含み、前記給電装置から前記海底局への給電を給電線を通して行う海底観測システムに用いられる海底分岐装置において、
入力される給電電流を分岐する分岐線路と、該分岐線路により分岐された給電電流をそれぞれ制御する電流安定化回路とを備え、
複数の前記給電線に対して実質上独立して給電できるようにしたことを特徴とする海底分岐装置。
前記分岐線路に代えて、入力される給電電流を２つの出力へ周期的に切り換え供給する切り換えスイッチを備えるとともに、前記電流安定化回路に代えて、前記切り換えスイッチの出力に対してそれぞれ平滑処理を行う平滑回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の海底分岐装置。
前記分岐線路と前記電流安定化回路とを収容する対水圧筐体を備え、当該対水圧筐体に襞又は皺を形成してその表面積を増加させたことを特徴とする請求項１の海底分岐装置。
前記分岐線路と前記電流安定化回路とを収容し、その外部に放熱用フィンを取り付けるための取付部材が設けられた対水圧筐体を備えたことを特徴とする請求項１の海底分岐装置。
入力された給電電流を２分岐する分岐線路と、該分岐線路の２つの出力側に互いに逆極性となるよう接続され、分岐された給電電流をそれぞれ整流する半波整流器と、該半波整流器の出力をそれぞれ平滑処理する平滑回路とを備えていることを特徴とする海底分岐装置。
光ファイバーと給電線とを備えた海底光ケーブルに対応し、給電元海底光ケーブルの給電線からの給電電流を前記分岐線路で分岐または前記切り換えスイッチで切り替え、前記電流安定化回路または前記平滑回路を介して給電先海底光ケーブルの給電線に供給するとともに、給電元海底光ケーブルの光ファイバーを給電先海底光ケーブルの光ファイバーに接続するようにしたことを特徴とする請求項１，２，３，４または５の海底分岐装置。