船舶大容量直流配電板磁場抑制措施研究

黃海倫

（中國艦船研究設(shè)計中心上海分部，上海 201108）

0 引言

艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)以中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為典型特征，具有對原動機的調(diào)速性能要求低、消除原動機轉(zhuǎn)速和母線頻率之間的相互影響、降低設(shè)備的噪聲振動水平以及減輕電纜重量等優(yōu)點，是艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1～2]。中壓直流電網(wǎng)具有更高的功率密度，其輸配電網(wǎng)絡(luò)直流電壓可以采用±3 000～±10 000 V范圍內(nèi)的標準電壓[3]。與此相應(yīng)，綜合電力系統(tǒng)中配置了大功率的中壓整流發(fā)電機組、推進電機和大容量的直流配電板等設(shè)備，直流配電板主匯流排中通過的電流可達到數(shù)千安培。

大容量直流配電板中通過如此大的直流電流，所產(chǎn)生的磁場將不可避免地對船舶產(chǎn)生影響。目前世界各國水雷的磁引信，均按船舶的磁特性進行設(shè)計[4,5]。因此，對大容量直流配電板在通電時產(chǎn)生的磁場進行抑制，減輕對船舶磁隱身的影響，可有效降低水雷磁引信動作的發(fā)生。

目前對配電板的研究主要集中在交流領(lǐng)域[6-8]，對直流配電板及相關(guān)磁場的研究鮮見提及。本文在直流導(dǎo)線磁場理論的基礎(chǔ)上，通過建立大容量直流配電板主匯流及整柜的磁場數(shù)值模型，分析其在通電狀態(tài)下的外部磁場特征，進而提出相應(yīng)的磁場抑制措施，并開展仿真研究，對其效果進行對比分析，確定了對大容量直流配電板磁場進行抑制的有效措施，有重要的工程應(yīng)用價值。

1 直流導(dǎo)線磁場原理

如圖1所示，從A點到B點有一段長直導(dǎo)線，其上有穩(wěn)恒電流I流動。根據(jù)電磁場理論Biot-Savart定律[9]，導(dǎo)線AB在距離為r的空間P點處所產(chǎn)生的磁場為：

圖1 載流直導(dǎo)線磁場

其中：B為磁感應(yīng)強度，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m；I為導(dǎo)線電流，A；l為導(dǎo)線長度，m；H為磁場強度，A/m。

在直角坐標系下，AB線段上dl電流元產(chǎn)生的磁場在周圍空間所產(chǎn)生的磁場強度為

當載流直導(dǎo)線與xoy面平行時，式（3）可簡化為：

當載流直導(dǎo)線與y軸平行時，式（4）簡化為：

2 直流配電板磁場仿真分析

采用通用電磁場仿真軟件Flux，建立直流配電板（含內(nèi)部主匯流排）的磁場數(shù)值模型，對主匯流排及整個配電板產(chǎn)生的磁場進行研究。

磁場評估位置為：

配電板下方14 m設(shè)立3條磁場評估線：中線、中線左、右兩側(cè)各8.5 m平行線，如圖2所示。圖中，方框為配電板俯視投影。

圖2 磁場評估位置

根據(jù)消磁的理論和工程實踐，僅對磁場的垂直分量展開分析。

在船舶主電網(wǎng)正常運行情況下，大容量直流配電板主匯流排流過的直流電流最大能達到5 kA。此時，主匯流排的電流走向如圖3所示：

圖3 主匯流排電路示意圖

圖中，箭頭表示直流電流的流向。在配電板的原始設(shè)計中，內(nèi)部設(shè)置左、右兩組匯流排，每組匯流排正、負極各一根。

直流配電板（含主匯流排）的磁場建模如圖4所示。

圖4 配電板建模圖

為了觀察匯流排磁場對配電板整柜磁場的影響，以及配電板外殼板對匯流排磁場的屏蔽效果，對匯流排通過最大電流時所產(chǎn)生的磁場和配電板整柜磁場分開計算和分析。

匯流排通過最大電流時，在3條評估線上產(chǎn)生的磁場分布如圖5所示。

圖5 主匯流排磁場

可見，在通過最大電流狀態(tài)下，匯流排在指定評估線上產(chǎn)生的磁場最大值為-109 nT，對應(yīng)右側(cè)評估線中部。左側(cè)線和中線峰值相對較小，分別為-66 nT與-50 nT。

假設(shè)該直流配電板的外柜板采用某普通鋼板，鋼材厚度為2.6 mm，磁導(dǎo)率為218，對配電板整柜磁場進行仿真計算。

當匯流排通過最大電流時，配電板在3條評估線上產(chǎn)生的磁場分布如圖6所示。

圖6 配電板磁場分布

圖7 殼板換材料后的配電板磁場

可見，在通過最大電流狀態(tài)下，直流配電板在指定評估線上產(chǎn)生的磁場最大值為129 nT，出現(xiàn)在右側(cè)評估線后部。左側(cè)線和中線峰值相對較小，分別為-121 nT與-54 nT。

根據(jù)上述結(jié)果對比，在指定評估線上直流配電板所產(chǎn)生的磁場較匯流排單獨產(chǎn)生的磁場幅值增大20 nT，說明配電板現(xiàn)有外殼板無法有效屏蔽匯流排所產(chǎn)生的磁場。

此外，與配電板所在船舶在相同評估線上的磁場幅值相比，配電板整柜磁場幅值占有相當程度的比例，影響較大。因此，為了減輕對整船磁場的影響，需要采取措施對配電板的磁場進行抑制，對配電板進行優(yōu)化設(shè)計。

3 直流配電板磁場抑制措施

對于直流配電板在通電狀態(tài)下的磁場抑制，提出以下兩種措施：

1）磁場屏蔽

常用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料（例如硅鋼片、坡莫合金等），其屏蔽原理是利用鐵磁材料的高磁導(dǎo)率對干擾磁場進行分路。對于直流配電板而言，使用高磁導(dǎo)率材料的外殼板是一種較為可行的方式。

2）匯流排優(yōu)化設(shè)計

由于匯流排通電后產(chǎn)生的磁場對通電狀態(tài)下配電板的磁場起決定作用，因此，對匯流排進行優(yōu)化設(shè)計，能夠從根本上抑制配電板所產(chǎn)生的磁場。

下面將對這兩種技術(shù)進行仿真分析與對比。

1）采用高磁導(dǎo)率外殼板

將直流配電板外殼板的材料從普通鋼板換為磁導(dǎo)率為1 500的特種鋼，重新評估配電板的總磁場（含匯流排和外殼板）。

在匯流排通過最大電流5 kA時，直流配電板在3條評估線上產(chǎn)生的磁場分布如下圖所示。

根據(jù)上圖，外殼板使用高磁導(dǎo)率材料之后的直流配電板在指定評估線上產(chǎn)生的磁場最大值為162 nT，出現(xiàn)在左側(cè)評估線中部。右側(cè)線和中線峰值相對較小，分別為-150 nT與125 nT。

可見，使用高磁導(dǎo)率材料之后的配電板所產(chǎn)生的磁場較原配電板磁場略大，幅值增加33 nT。這是由于，高磁導(dǎo)率外殼板也產(chǎn)生了一部分磁場，盡管匯流排所產(chǎn)生的磁場得到一定的抑制，但配電板整柜磁場反而略有增加。

這說明，配電板外殼板使用高磁導(dǎo)率材料，對匯流排所產(chǎn)生的磁場屏蔽效果有限。

增加配電板外殼鋼板厚度的作用與提高外殼板磁導(dǎo)率的作用基本相同，對匯流排磁場也缺乏有效的屏蔽作用。

2）匯流排優(yōu)化設(shè)計

由于直流配電板內(nèi)部空間有限，結(jié)合實際情況，將主匯流排由正、負兩根，拆分為正、負、負、正四根，每根匯流排電流為2.5 kA，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化設(shè)計后的主匯流排

圖9 優(yōu)化設(shè)計后的配電板磁場

主匯流排經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，直流配電板在3條評估線上產(chǎn)生的磁場分布見下圖。

根據(jù)上圖，主匯流排經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的直流配電板在中、右、左3條評估線上產(chǎn)生的磁場幅值分別為-18 nT、-13 nT和-11 nT。

可見，優(yōu)化設(shè)計之后的直流配電板所產(chǎn)生的磁場較原配電板減小約86%。這說明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，直流配電板的外部磁場得到了有效的控制，對船舶整體磁場的影響可忽略。其效果遠優(yōu)于對配電板外殼板采用高磁導(dǎo)率材料。

因此，對直流配電板的主匯流排進行優(yōu)化設(shè)計是直流配電板通電狀態(tài)下磁場抑制的有效措施。

4 結(jié)語

本文以通用電磁場仿真軟件為工具，結(jié)合配電板實際狀態(tài)，對大容量直流配電板的在通電狀態(tài)下的外部磁場特征及相應(yīng)抑制措施及進行了研究，得出以下結(jié)論：

1）以普通鋼材為材料的外殼板無法有效屏蔽直流配電板主匯流排所產(chǎn)生的磁場；

2）在通以最大電流狀態(tài)下，直流配電板磁場對整船磁場有比較大的影響；

3）直流配電板外殼板采用高磁導(dǎo)率材料，對主匯流排所產(chǎn)生的磁場屏蔽效果有限；

4）對主匯流排進行優(yōu)化設(shè)計可顯著降低直流配電板的外部磁場。

研究結(jié)果對工程應(yīng)用有較為重要參考價值。