消磁船外消磁系統設計及試驗方法

王世一， 安德紅

(1.大連遼南船廠， 遼寧 大連 116041； 2.92118部隊， 浙江 舟山 316000)

消磁船外消磁系統設計及試驗方法

王世一1， 安德紅2

(1.大連遼南船廠， 遼寧 大連 116041； 2.92118部隊， 浙江 舟山 316000)

艦船磁場包括感應磁場和固定磁場，而消磁船則是針對各類艦船的固定磁場進行消除勤務的重要執行單位，因此研究消磁船外消磁系統可以更好地消除艦船固定磁場，提高艦船的生存能力。通過對消磁船外消磁系統的組成和作用進行分析，闡述消磁船建造過程中主要工藝流程及試驗方法，為了解艦船消磁系統技術特點，有序開展消磁船建造、試驗提供參考。

外消磁系統；消磁船；消磁系統

0 引言

眾所周知，地球是一個巨大的磁體，在其周圍的空間充滿了地球磁場，如圖1所示。一切順磁材料(主要是鐵磁材料)和由它們所構成的物體在地球磁場內都會受到磁化，常見種類磁場大小如表1所示。艦船由磁性材料構成或由含有大量磁性材料的物體組成，也會受到磁化并具有獨特的磁特性，形成艦船磁場，因此艦船消磁技術應用而生。

艦船消磁技術就是為減弱艦船磁場強度并改善其分部特性所采取的技術措施，主要用于提高艦艇的磁性防護能力，防御水中磁性武器(如磁性感應水雷)的攻擊或降低被磁探測儀器發現的概率。

1 艦船磁場產生及組成

艦船是由鋼鐵建造的，兩個主要因素導致艦船周圍存在磁場：一個因素是艦船船體和設備材料均屬鐵磁性材料；另一個因素則是地球存在南北指向分布的地磁場。鋼鐵艦船的磁化和磁滯特性會在鋼鐵艦船周圍形成感應磁場[1]和固定磁場[1]。其中：感應磁場是指鋼鐵艦船在地球磁場作用下，艦船周圍產生的磁場；固定磁場是指鋼鐵艦船在其承受較大磁場沖擊、建造和航行過程中的應力變化等作用后產生的一定剩余磁性，該磁性在艦船周圍形成磁場，這類磁場不隨艦船航向和航行海區變化。艦船磁場一般指的是鐵磁性磁場，由感應磁場和固定磁場兩部分組成。此外，艦船還存在運動過程中切割磁力線產生的渦流磁場、內部大量通電電纜和交直流電機等產生的雜散磁場等但這些磁場與鐵磁性磁場相比相對較弱，對于鋼質艦船一般不予考慮，只對磁性指標要求非常高的艦船才進行防護。

圖1 地球磁場

序號種類量級/nT備注1揚聲器磁鐵表面磁場(2～4)·1070.02～0.04T2電機內部磁場(8～9)·1080.8～0.9T3地球表面磁場50000地磁場平均值4地球磁場日變化30～1005艦船雜散磁場20～300現采取的措施6設備磁場(無屏蔽)100～500

2 消磁船外消磁系統原理及消磁方法

消磁船的主要作用是消除艦船所具有的固定磁性，并對艦船消磁系統進行磁場測量和線圈調整。其原理是無磁滯磁化，即鐵磁物體在外磁場中受外部能量的反復作用而實現無磁滯磁化，同樣其在零值磁場中受外部能量反復作用也能實現無磁滯退磁。

艦船消磁方法主要包括固定繞組消磁法、臨時線圈消磁法、聯合[2]消磁法。

(1) 固定繞組消磁法。這種消磁法在艦船上安裝消磁繞組、消磁電源與電流調整器等設備，當電源通電時，繞組電流產生與艦船磁場大小相等、方向相反的磁場，從而達到抵消艦船固定磁場及感應磁場的目的。

(2) 臨時線圈消磁法。這種消磁法是通過專門的消磁船(站)進行的。消磁時要在被消磁的艦船外面繞上臨時線圈，或將被消磁船開到敷設好電纜的消磁站去，通過供電設備產生大電流破壞艦船磁場結構，從而達到消除艦船固定磁場和抵消一部分感性磁場的要求。

(3) 聯合消磁法。這種消磁法是指將固定線圈法和臨時線圈法相結合的方法。

3 消磁船外消磁系統組成及作用

消磁船外消磁系統主要由主消磁電源設備、副消磁電源設備、消磁推進控制系統設備、磁場測量及分析設備、消磁電纜、繞送電纜設備等組成。目前主要通過消磁船與被消磁船一對一消磁(見圖2)或多對一形式開展艦船消磁作業。消磁作業時，消磁線圈臨時纏繞在被消磁艦船上，共有1組工作線圈、2組補償線圈，其中：工作線圈中通以正負相間、間歇、衰減的矩形電流實現無磁滯退磁；補償線圈通以恒定電流用以補償地磁對艦船的作用。

圖2 一對一消磁狀態圖

3.1 主消磁電源設備

國內消磁船主消磁電源目前一般采用直流發電機組為消磁工作線圈提供消磁電流。當消磁船處于消磁工況時，通過同步控制技術，協調消磁脈沖發電機組的輸出電流脈沖的同步，控制原理如圖3所示。消磁工作線圈的作用是在艦船進行綜合消磁時用以產生振幅逐漸衰減的正負交變磁場。根據無磁滯磁化原理，工作線圈的方向可以是任意的，考慮到縱向的效率高，一般采用縱向的螺線管型線圈，如圖4所示[3]。主消磁電源設備一般包括消磁發電機組、自動開關柜、主回路控制板、磁力站、主消磁接線箱等。

圖3 消磁電流控制原理框圖

圖4 螺線管型線圈

3.2 副消磁電源設備

副消磁電源一般由調壓-變壓器(或調壓器、變壓器)、整流柜、控制臺、副消磁接線箱等組成，如圖5所示。考慮到消磁任務工作中有加繞局部補償線圈的需要，需提供4組獨立輸出的地磁補償線圈電流供消磁時使用。

圖5 副消磁系統控制原理

3.3 消磁推進控制系統設備

其主要包含中央控制臺、勵磁柜、電源柜、繼電柜、電阻箱、現地控制柜等。消磁推進控制系統隨著電力電子元器件和控制器的發展而飛速進步。原來的控制儀器包括繼電器、開關等元件，設備重量和尺寸大，控制精度不夠，操作復雜。隨著PLC和集成模塊技術的發展，現今控制系統正向穩定性、集成化、智能化、可程序化的方向發展。消磁推進控制系統的管理及控制單元是基于計算機技術的監控系統，是進行自動化控制的保障，采用集中管理、分散控制的模式。監控系統提供對現場設備的實時運行情況執行控制，向用戶提供操作接口，實時監視系統的狀態，進行故障診斷和保護控制，并可提供消磁和推進控制功能。

3.4 磁場測量及分析設備

其主要由手提式測磁儀、磁場分析設備等構成，主要用于艦船原始磁場磁場測量、消磁效果考核及分析使用，是消磁工作的基礎[4]。

3.5 其他設備

消磁電纜主要用于被消磁船消磁繞組。

消磁繞纜設備包含電纜收放裝置、電纜卷車、電纜轉運叉車、起重設備等，主要是為提高消磁電纜轉運、收放效率而配備。

4 外消磁系統建造工藝要求

目前，國內消磁船一般采用電力推進。一方面，在推進工況時，直流發電機組可以直接為推進電機供電，為艦船提供航行動力；另一方面，在消磁工況時，可直接為消磁線圈提供脈沖電流。因此，為確保消磁船建造總體性能得到有效實現，建造過程中要重點做好以下控制。

(1) 設備布置設計。由于主回路控制板、自動開關柜、調壓-變壓器、整流器等設備體積大且工作時會產生較大熱量，因此在布置時要合理利用艦船艙室空間。對于工作艙室內中央控制臺、勵磁柜、繼電柜、電源柜、副消磁控制臺等設備要平齊擺放，便于人員操作、管理；對于機艙區域的大型設備，布置時應在確保日常操作、保養便利的同時充分考慮設備的維修空間、散熱空間，以保證通道暢通、操作便利、散熱有效。

(2) 電纜敷設設計。由于消磁船采用直流電力推進，因此消磁控制電纜及電力電纜敷設尤為重要。其中，消磁控制系統主回路電力電纜屬五類強干擾電纜之一，在電纜線路設計時需單獨設置，且與其它各類電纜間隔至少300 mm。電纜排列應按“+”“-”依次有序排列，使磁場正負抵消，避免對附近設備及電纜造成干擾。接線端子應清晰標識，一般正(+)端標紅色，負(-)端標藍色。同時，對于推進消磁控制系統信號電纜，在敷設時需根據信號源的特點單獨穿管敷設，并控制走線長度，以避免造成信號干擾或衰減。

5 外消磁系統試驗方法

外消磁系統將直接影響消磁船的消磁性能，故在試驗過程中需對外消磁系統進行充分有效試驗，以確保其性能得以有效實現。

5.1 主消磁系統

5.1.1 試驗工裝

手持式測速儀、多功能數據記錄儀、可調式負載電阻(耐壓、抗脈沖電流)及通用儀表等。

5.1.2 試驗流程及方法

(1) 試驗前的準備工作。① 組織進行試驗前設備安裝、系統負載接線及系統絕緣檢查；② 主消磁控制系統保護、操作轉換及聯鎖功能檢查；③ 無線模塊和接口檢查(待有時)；④ 消磁發電機組脈沖工況調整試驗。

(2) 一般消磁試驗。在消磁發電機組額定轉速下，分別接入不同阻值消磁負載，按照脈沖持續時間要求，調整輸出脈沖電流，并按照額定電流差值逐漸加大、直至最大輸出電流值。獲取發電機電樞電壓、電樞電流、轉速波形圖。單個脈沖波形要求如圖6所示。

圖6中： t1為上升時間；t2為脈沖通電時間；t3為下降時間；Im為脈沖電流峰值；I0為脈沖電流終值；IH為脈沖電流標稱值；σ為超調量。 須注意的是脈沖下降沿不應出現反向電流。

(3) 綜合消磁試驗。綜合消磁試驗按規定阻值負載電阻分別進行。在電流首脈沖以下時，均勻遞減，遞減次數不小于40次。脈沖電流波寬2～6 s可按級差0.5 s調節，間隙時間2～20 s可按級差2 s調節。在按要求取多個模式測試后取消磁發電機的電壓、電流、轉速波形及勵磁電流值，其電流脈沖示意圖如圖7所示。

圖7 綜合消磁1個周期的電流脈沖示意圖

5.2 副消磁系統

5.2.1 試驗條件

船舶電站系統交驗完畢，整流柜風機完好且滿足流量要求，與主消磁系統間通信和報警功能正常。

5.2.2 試驗工裝

水負載或電站智能負載箱、試驗用測試儀表設備。

5.2.3 試驗流程及方法

(1) 試驗前的準備工作。① 設備安裝、接線及絕緣電阻檢查；② PLC及整流機通風機狀態檢查；③ 調壓變壓器、調壓器及負載接線檢查；等。

(2) 空載操作及PLC系統檢查試驗。

分別對副消磁電源進行手動升壓調壓試驗、手動降壓調壓試驗、空載自動升壓調壓試驗、空載自動降壓試驗。

手動升壓調壓試驗。首先將調壓器空載電壓調到最小，記錄最小空載電壓；然后進行均勻、連續升壓調節操作，并從電壓表觀察直流電壓上升情況；最后在達到額定電壓后，繼續升高電壓至額定電壓120%，記錄電壓值。

手動降壓調壓試驗。首先從最高電壓120%往下降壓，記錄最高電壓；然后進行均勻、連續降壓調節操作，并從電壓表觀察直流電壓下降情況；最后將調壓器空載電壓調到最小，記錄最小空載電壓。

空載自動升壓調壓試驗。將調壓器空載電壓調到最小，記錄最小空載電壓；然后將電壓設定到120%電壓，并從電壓表觀察直流電壓上升情況，要求均勻、無跳動，并記錄電壓。

空載自動降壓試驗。從最高電壓往下降壓，記錄最高電壓；進行均勻、連續降壓調節操作，并從電壓表觀察直流電壓下降情況；將調壓器空載電壓調到最小，記錄最小空載電壓。

(3) 負載性能試驗。以試驗負載為水電阻為例。負載試驗時,自動控制，電流100%、電壓100%，通電30 min，當電壓變化超出120%范圍時，隨時調節水電阻阻值，維持電流。每隔10 min記錄半小時內調壓器和變壓器原副邊電壓、電流、溫度及整流柜直流輸出端電壓電流、整流管等溫度信息。

6 結束語

未來消磁系統會逐步向交流機組整流、副消磁

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電源模塊化、分析控制職能化等方向發展，消磁能力及精度都將得到大幅度提高。目前，國內消磁船受消磁場地、測量方式及人員素質等因素的制約而導致應用率較低。隨著科技不斷發展，國內艦船消磁系統的穩定性及自動化程度將進一步提高。

[1] 國防科學技術工業委員會.艦艇及其裝備術語 消磁：GJB 175.3-1988[S]. 1988.

[2] 國防科學技術工業委員會.艦船消磁要求：GJB 1234-1991[S]. 1991.

[3] 杜志瀛.艦船消磁[M].北京：國防工業出版社，1983.

[4] 張國友.艦船消磁系統原理與設備[D].武漢：海軍工程學院，1999.

Design and Experiment of Outside Degaussing System of Degaussing Ship

WANG Shiyi1， AN Dehong2

(1. Dalian Liaonan Shipyard, Dalian 116041, Liaoning， China； 2.92118 Army， Zhoushan 316000， Zhejiang, China)

Ship’s magnetic field includes induced magnetic field and permanent magnetic field, and degaussing ship is an important unit which can remove the permanent magnetic field of different type of ships. Therefore, the research of the outside degaussing system of degaussing ship could minish leaving permanent magnetic field and improve the viability of ships. The component and function of outside degaussing system are analyzed, and the building technics and experiment of outside degaussing system is introduced.The technical feature of degaussing system is introduced.The reference is provided for degaussing shipbuilding and experiments.

outside degaussing system; degaussing ship; degaussing sysytem

王世一(1980-)，男，工程師，研究方向為船舶電氣工程。

U674

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