自動(dòng)化集裝箱碼頭電纜電磁場對IGV磁釘?shù)母蓴_控制

柴治國，崔政偉，謝 皓

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

1 工程概況

本工程為全自動(dòng)化集裝箱碼頭，碼頭及堆場區(qū)水平運(yùn)輸采用智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(intelligent guided vehicle，IGV)，IGV無人駕駛磁釘導(dǎo)航方式是通過磁導(dǎo)航傳感器檢測磁釘?shù)拇判盘枌?shí)現(xiàn)IGV的定位[1]，磁釘導(dǎo)航邏輯是將連續(xù)感應(yīng)變成間歇式感應(yīng)，磁釘之間處于一種較為精確的定位狀態(tài)，依靠編碼器等里程計(jì)量傳感器計(jì)算位置，依靠陀螺等角度傳感器確定方向角，最后得到IGV的位姿信息實(shí)現(xiàn)無人駕駛。但磁釘也存在一些缺點(diǎn)，由于磁信號的穩(wěn)定性對于實(shí)現(xiàn)定位至關(guān)重要，所以在這樣的場所中不能有磁場的干擾，在IGV運(yùn)行的路徑上應(yīng)盡量減少有消磁影響的設(shè)備。本工程在設(shè)計(jì)時(shí)，為防止外部金屬對磁釘?shù)母蓴_，在磁釘埋設(shè)周邊不能有金屬[2]，堆場面層已考慮在200 mm范圍內(nèi)不敷設(shè)鋼筋，同時(shí)磁釘布置在IGV行駛區(qū)已盡量避開電纜溝、電纜井等敷設(shè)電纜的區(qū)域，但局部仍無法避免電纜敷設(shè)區(qū)域，如圖1所示。

圖1 磁釘及管線分布

由圖1可知，在A區(qū)域內(nèi)磁釘布置在電纜隧道正上方，電纜隧道內(nèi)敷設(shè)有10 kV高壓電纜、380 V低壓電纜和通信電纜等，此區(qū)域?qū)Υ裴數(shù)母蓴_較為嚴(yán)重，是磁釘磁場的一個(gè)薄弱區(qū)；B區(qū)域內(nèi)磁釘布置在電纜埋管上方，管道內(nèi)敷設(shè)有10 kV高壓電纜、380 V低壓電纜和通信電纜。本工程高壓電纜為碼頭岸橋、堆場軌道吊供電電纜，碼頭岸橋、堆場軌道吊為間歇性工作設(shè)備，電纜電流變化快且無規(guī)律性，形成的電磁場復(fù)雜，對磁釘干擾較為嚴(yán)重。針對以上2個(gè)區(qū)域，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及建模仿真分析提出切實(shí)有效的措施對載流電纜磁場干擾進(jìn)行控制。

2 原因分析及控制

2.1 電纜磁場產(chǎn)生的原因分析

鎧裝電力電纜的物理結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分別為銅導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽層、金屬屏蔽層、絕緣屏蔽層、絕緣層、鎧裝、外護(hù)套等[3]。電纜或線圈通入交變電流后，因?yàn)橛辛穗姾?電荷定向移動(dòng)形成電流)，從而產(chǎn)生交變電場。當(dāng)線圈中存在交變電流時(shí)會產(chǎn)生磁場，同時(shí)在空間中變化的磁場又會產(chǎn)生電場，所以電磁場是相輔相成、相互影響的[4]。載流電力電纜的電磁場輻射是工程或日常生活中常見的電磁輻射。

載流線圈磁場分布見圖2，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，載流回路的任一電流元Idl，在空間的任意點(diǎn)P處所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

圖2 載流線圈磁場分布

(1)

式中：r0為指向場點(diǎn)P的單位矢量；r為Idl與場點(diǎn)P之間的距離；μ0為真空磁導(dǎo)率；電流元Idl的方向與電流方向相同。

把多條不同的載流電纜或?qū)Ь€所產(chǎn)生的磁場看作是很多電流元產(chǎn)生的磁場疊加，可以得出多條載流電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

(2)

2.2 抗電磁干擾常用措施

2.2.1利用屏蔽技術(shù)減少電磁干擾

1)動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，可以有效抑制電磁波的輻射；控制電纜、模擬信號線纜最好使用金屬材料屏蔽層的屏蔽電纜或者采用屏蔽類的光纜；同時(shí)在實(shí)施過程中屏蔽層均應(yīng)做可靠接地。

2)采用屏蔽金屬板(網(wǎng)格)，金屬板對電磁場傳播的影響見圖3?？梢钥闯?，電磁波Ho由金屬板(厚度為t)的左側(cè)向右側(cè)傳播，因空氣傳播介質(zhì)與金屬板傳播介質(zhì)性質(zhì)不同，在電磁波傳播至左側(cè)金屬板時(shí)會反射折回，未被反射回的電磁波Hmo繼續(xù)入射至金屬板內(nèi)部，電磁波Hmo在金屬板內(nèi)部經(jīng)過介質(zhì)吸收衰減為Hmt，同時(shí)有部分電磁波Hmr經(jīng)過金屬板右側(cè)壁反射折回，電磁波Hmt經(jīng)過金屬板右側(cè)壁折射衰減，穿透金屬板最終衰減為Ht。

圖3 金屬板(網(wǎng)格)對電磁傳播的影響

根據(jù)金屬板的屏蔽工作原理，可分為表面反射損減R(dB)、吸收損耗A(dB)及金屬板內(nèi)部多次反射損耗B(dB)3個(gè)部分，即金屬板的屏蔽效果S可表示為：

S=A+R+B

(3)

其中：

(4)

R=168.2+10lg[σ/(fμ)]

(5)

式中：t為屏蔽厚度(cm)；μ為金屬材料相對于空氣的磁導(dǎo)率；f為電磁波頻率(Hz)；σ為金屬材料相對于銅的導(dǎo)電率。

根據(jù)式(5)可以看出，R與金屬的導(dǎo)電性成正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，與金屬的導(dǎo)磁性成負(fù)相關(guān)函數(shù)關(guān)系，與金屬板的厚度無關(guān)。另外，B(dB)與A成正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

2.2.2利用接地技術(shù)消除電磁干擾

沿電纜敷設(shè)方向設(shè)置接地線，電纜鎧裝鋼絲或鋼帶做良好接地；如果電纜線路帶有變頻設(shè)備，與變頻設(shè)備相關(guān)的線纜、控制設(shè)備等，其接地均應(yīng)可靠連接且共地。

2.2.3利用布線技術(shù)降低電磁干擾

根據(jù)式(1)，某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與載流電流的距離成反比，故距離載流電纜越遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱。對長距離電纜進(jìn)行合理布線，干擾較強(qiáng)的線纜遠(yuǎn)離被保護(hù)設(shè)備，同時(shí)控制電纜和電源電纜交叉時(shí)應(yīng)盡可能使它們垂直交叉，并且加強(qiáng)交叉處的屏蔽層固定設(shè)置，加大控制電纜和電源電纜之間的物理距離。

2.2.4利用濾波技術(shù)降低電磁干擾

濾波器主要由電容器、電感等元器件組成，工作原理為允許固定帶寬頻率通過，對其他帶寬的頻率加以抑制，進(jìn)而抑制線路上電磁干擾，工程上常用的濾波器有低通、高通、帶通、帶阻等濾波器[5]。

2.2.5利用磁環(huán)材料抑制干擾

目前工程常用的磁環(huán)材料包括鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體等。鎳鋅鐵氧體可以抑制高頻干擾，錳鋅鐵氧體可以抑制低頻干擾，在工程中可根據(jù)高頻或低頻信號選擇合適的磁環(huán)材料。在同一束電纜上同時(shí)套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，可以抑制的干擾源頻段較寬。

3 消除電磁干擾的控制設(shè)計(jì)

3.1 A區(qū)域控制電磁干擾措施

3.1.1合理布線

電纜隧道內(nèi)敷設(shè)有軌道吊供電高壓電纜、照明電纜、維修箱低壓電纜等。其中照明及維修箱為常規(guī)設(shè)備，電纜為其提供持續(xù)穩(wěn)定電流，產(chǎn)生的磁場較為穩(wěn)定。高壓電纜為軌道吊供電電纜，為間歇性工作設(shè)備，電機(jī)啟動(dòng)電流大、電流變化快且無規(guī)律性，形成的電磁場復(fù)雜，產(chǎn)生的磁場多變。結(jié)合此現(xiàn)象，并根據(jù)距離越遠(yuǎn)磁場越弱的原則，電纜隧道內(nèi)電纜布置原則為：低壓電纜在最上層、高壓電纜在中間層、光纜布置在最下層。

為驗(yàn)證載流電纜布線不同位置產(chǎn)生的磁場情況，采用通用有限元仿真軟件 ANSYS 進(jìn)行磁場模擬，建立電纜隧道內(nèi)電磁場仿真模型確定10 kV電纜磁場強(qiáng)度與距離的關(guān)系。在電纜隧道內(nèi)電磁場仿真研究中，電纜的結(jié)構(gòu)、電纜在電纜隧道的空間位置、供電電壓等級和流過電纜的電流大小是非常重要的因素[6]。電纜隧道斷面如圖4所示，寬度1.6 m，深度1.9 m，隧道蓋板厚度350 mm。電纜隧道內(nèi)含有380 kV電力電纜16回，截面積為960 mm2，電流300 A；含有10 kV電力電纜32回，截面積為285 mm2，電流55 A。

圖4 電纜隧道斷面(單位：mm)

在仿真軟件 ANSYS輸入相關(guān)參數(shù)，如電纜支架所用的Q235 鋼材為磁性材料，相對磁導(dǎo)率取1 900，電纜隧道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋的相對磁導(dǎo)率取 700。通過仿真，得出在隧道底部中心豎直向上至隧道頂部地面的磁場分布曲線如圖5所示?？梢钥闯觯艌鯞呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，磁場最強(qiáng)的位置電纜隧道中間位置，越往頂部磁場強(qiáng)度越小。

圖5 隧道磁場分布

3.1.2采用屏蔽措施

A區(qū)域電纜隧道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋼筋形成方形鋼筋網(wǎng)格，此鋼筋網(wǎng)格可以起到良好的電磁屏蔽效果，不僅可以屏蔽外部信號干擾內(nèi)部，也可以屏蔽內(nèi)部信號干擾外部。為形成完全獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu)，在安裝磁釘?shù)?4 m長電纜隧道做伸縮縫，與通長段電纜溝做隔斷，形成獨(dú)立接地結(jié)構(gòu)，處理措施如圖6所示。

圖6 電纜隧道布置斷面(單位：mm)

3.2 B區(qū)域控制電磁干擾措施

3.2.1增大距離

電纜管道內(nèi)敷設(shè)有岸橋供電高壓電纜、船舶岸電低壓電纜等。其中船舶岸電為常規(guī)設(shè)備，供電電流為持續(xù)穩(wěn)定電流，產(chǎn)生的磁場相對穩(wěn)定。高壓電纜為岸橋供電電纜，岸橋?yàn)殚g歇性工作設(shè)備，電機(jī)啟動(dòng)電流大，電流變化快且無規(guī)律性，形成的電磁場復(fù)雜多變。結(jié)合此現(xiàn)狀，本工程設(shè)置B區(qū)域管道布置電纜原則為：低壓電纜在上層、高壓電纜在最下層。

另根據(jù)仿真的結(jié)果及式(1)的結(jié)論，為降低10 kV電纜磁場對路面磁釘?shù)挠绊?，增?0 kV電纜管道埋深，普通埋管深度為0.7 m，此處加深埋管至1.1 m，如圖7所示。

圖7 B區(qū)域埋管接地(單位：mm)

3.2.2采用屏蔽措施

普通預(yù)埋管采用素混凝土包封，內(nèi)無配筋。為形成屏蔽效果，在混凝土包封中增加配筋，形成封閉鋼筋籠將管道包封，且兩端接地。同時(shí)在管道上方增加不銹鋼筋網(wǎng)片，對下方的電纜形成覆蓋，并進(jìn)行接地處理，如圖7所示。

4 結(jié)論

1)電纜線路布置遵循避免與磁釘長距離平行敷設(shè)的原則。

2)電纜線路與磁釘交叉處，合理布線，增大磁釘與電纜線路距離，弱化磁釘處載流電纜電磁場分布。

3)上方布置有磁釘?shù)碾娎|隧道采用獨(dú)立分縫，結(jié)構(gòu)鋼筋全部貫通并接地，實(shí)現(xiàn)對載流電纜電磁場屏蔽。

4)上方布置有磁釘?shù)碾娎|管道，采用鋼筋混凝土包封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼筋全部貫通并接地，同時(shí)管道上方通長布置304不銹鋼網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)對載流電纜電磁場屏蔽。