外加電流補(bǔ)償方法靜電場(chǎng)抑制效果研究

郭 昕，鄭攀峰，耿 攀，余定峰，楊文鐵，楊 帥，周 彤

應(yīng)用研究

外加電流補(bǔ)償方法靜電場(chǎng)抑制效果研究

郭 昕1，鄭攀峰2，耿 攀2，余定峰2，楊文鐵2，楊 帥2，周 彤2

（1. 中國(guó)艦船研究院，武漢 430000；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430205）

在深入研究外加電流補(bǔ)償方法基礎(chǔ)上，分析了補(bǔ)償陽(yáng)極位置、補(bǔ)償陽(yáng)極輸出電流對(duì)靜電場(chǎng)抑制效果的影響，結(jié)合船模試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償陽(yáng)極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補(bǔ)償電流對(duì)靜電場(chǎng)的抑制效果；補(bǔ)償陽(yáng)極輸出電流增加到一定程度時(shí)，靜電場(chǎng)抑制效果最佳。

艦船 靜電場(chǎng) 外加電流補(bǔ)償 陽(yáng)極

0 引言

艦船船體材質(zhì)為鋼合金或鋁合金，而螺旋槳葉材質(zhì)一般為銅合金，船體與螺旋槳存在電連接，因而在海水電解質(zhì)中會(huì)形成電偶回路，并產(chǎn)生腐蝕電流，形成腐蝕電場(chǎng)。進(jìn)一步地，腐蝕相關(guān)電場(chǎng)可以分為靜電場(chǎng)、軸頻電場(chǎng)和工頻電場(chǎng)等。艦船腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)是其重要的目標(biāo)特性，是艦船的暴露源和水中兵器的被動(dòng)信號(hào)源[1~3]。靜電場(chǎng)在海水中的強(qiáng)度可達(dá)mV/m的量級(jí)，易被水中引信武器攻擊，還可以被水下探測(cè)武器遠(yuǎn)距離探測(cè)和定位[4,5]。為了抑制艦船靜電場(chǎng)，目前采取的主要方法包括陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電場(chǎng)隔離結(jié)構(gòu)工藝以及外加電流補(bǔ)償?shù)萚6,7]。

本文在研究外加電場(chǎng)補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了補(bǔ)償陽(yáng)極位置、補(bǔ)償陽(yáng)極輸出電流對(duì)靜電場(chǎng)抑制效果的影響，并利用船模試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論的有效性。

1 基于外加電流補(bǔ)償?shù)撵o電場(chǎng)抑制方法

外加電流補(bǔ)償方法的基本原理如圖1所示。由于船體大部分位置會(huì)采取油漆、非金屬覆蓋等方式進(jìn)行防護(hù)，腐蝕電流集中從沒有進(jìn)行防護(hù)或防護(hù)失效的暴露點(diǎn)流向螺旋槳。外加電流補(bǔ)償方法在船體靠近螺旋槳位置布置補(bǔ)償陽(yáng)極，通過補(bǔ)償陽(yáng)極輸出與自然腐蝕電流方向相反的電流，以達(dá)到靜電場(chǎng)抑制的目的。

圖1 外加電流補(bǔ)償原理

艦船靜電場(chǎng)的理論分析模型主要是等效電偶極子理論[8~10]，即在較遠(yuǎn)處可視艦船靜電場(chǎng)源是由相互距離一定的兩個(gè)正、負(fù)電荷，且一般認(rèn)為負(fù)電位位置在螺旋槳位置處。等效電偶極子理論中直接表征靜電場(chǎng)大小的特征量為等效電偶極矩，其定義為等效正負(fù)電荷之間的電流大小與距離Δ的乘積，即=·Δ。

外加電流補(bǔ)償方法就是通過減小靜電場(chǎng)等效極矩，以達(dá)到減小靜電場(chǎng)的目的。

2 外加電流靜電場(chǎng)補(bǔ)償效果影響分析

由于船體暴露點(diǎn)眾多，本次分析可以將所有船體暴露點(diǎn)等效于船體上某一處，根據(jù)上述等效電偶極子理論，負(fù)電位位置在螺旋槳位置處，正電荷位置應(yīng)在等效暴露點(diǎn)處。等效電偶極矩分析示意如圖2所示。

圖2 電偶極矩分析示意圖

0為艦船自然腐蝕時(shí)的原始電偶極矩，1為外加電流補(bǔ)償后的艦船電偶極矩，應(yīng)有：

其中：F0為自然腐蝕時(shí)的船體流向螺旋槳的電流大小。Δ0為等效暴露點(diǎn)與螺旋槳之間的距離。F1為外加電流補(bǔ)償時(shí)的船體流向螺旋槳的電流大小。B1為補(bǔ)償陽(yáng)極流向螺旋槳的電流大小。B2為補(bǔ)償陽(yáng)極流向等效暴露點(diǎn)的電流大小。Δ1為補(bǔ)償陽(yáng)極與螺旋槳之間的距離。Δ2為補(bǔ)償陽(yáng)極與等效暴露點(diǎn)的距離。

無論是否開啟外加電流補(bǔ)償，螺旋槳浸泡在海水中的面積，以及其表面電流交換密度均維持不變，因此兩種工況下螺旋槳處得到的電流大小應(yīng)保持不變，即：

又易得出補(bǔ)償陽(yáng)極總輸出電流B0有：

且：

綜合式（1）～（5），可得出補(bǔ)償電流輸出前后的電偶極矩變化為：

由式（6）可知，外加電流補(bǔ)償效果取決于補(bǔ)償輸出電流的大小以及補(bǔ)償陽(yáng)極的位置。

進(jìn)一步分析可以得出如圖3所示結(jié)論：1）當(dāng)補(bǔ)償陽(yáng)極位置位于螺旋槳與等效暴露點(diǎn)之間時(shí)，即Δ2＞0時(shí)，通過增大補(bǔ)償輸出電流B0，可以減小等效電偶極矩，從而減小靜電場(chǎng)；2）補(bǔ)償輸出電流大小等于0Δ2時(shí)，靜電場(chǎng)補(bǔ)償效果達(dá)到最佳，繼續(xù)增大補(bǔ)償電流大小會(huì)使得靜電場(chǎng)繼續(xù)增大甚至超過原始值；3）當(dāng)補(bǔ)償陽(yáng)極位置比等效暴露點(diǎn)更遠(yuǎn)離螺旋槳時(shí)，即Δ2＜0時(shí)，增大補(bǔ)償輸出電流反而會(huì)直接增大等效電偶極矩，不能達(dá)到抑制靜電場(chǎng)的效果。

3 船模試驗(yàn)

為了驗(yàn)證外加電流靜電補(bǔ)償效果的影響分析結(jié)果，進(jìn)行了1：40等比例縮比船模試驗(yàn)，試驗(yàn)示意如圖4所示。

圖4 船模試驗(yàn)示意圖

在船模殼體表面距離螺旋槳不同距離處，貼裝3對(duì)補(bǔ)償陽(yáng)極（左右舷對(duì)稱），其中陽(yáng)極1距螺旋槳最近，陽(yáng)極3距螺旋槳最遠(yuǎn)，陽(yáng)極2居中。補(bǔ)償電源分別通過其中任一對(duì)陽(yáng)極輸出補(bǔ)償電流，通過電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量并記錄船模通過特性曲線。調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流大小在0~25 mA之間變化，得到靜電場(chǎng)峰峰值與補(bǔ)償電流大小的關(guān)系。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)補(bǔ)償陽(yáng)極位置靠近螺旋槳時(shí)，如圖5（a）所示，增大補(bǔ)償電流大小，靜電場(chǎng)峰峰值先減小后增大，補(bǔ)償電流約6 mA時(shí)，靜電場(chǎng)補(bǔ)償效果最佳，靜電場(chǎng)峰峰值減小約51%。當(dāng)補(bǔ)償樣機(jī)位置漸漸遠(yuǎn)離螺旋槳，如圖5（b）、（c）所示，增大補(bǔ)償電流大小，靜電場(chǎng)峰峰值也相應(yīng)增大，沒有達(dá)到靜電場(chǎng)抑制的效果。船模試驗(yàn)結(jié)果與第2節(jié)的分析結(jié)論基本吻合。

圖5 靜電場(chǎng)峰峰值與補(bǔ)償電流大小的關(guān)系

4 結(jié)論

本文在對(duì)外加電流補(bǔ)償?shù)撵o電場(chǎng)抑制方法深入研究的基礎(chǔ)上，分析了補(bǔ)償陽(yáng)極位置、補(bǔ)償輸出電流大小對(duì)靜電場(chǎng)補(bǔ)償效果的影響。補(bǔ)償陽(yáng)極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補(bǔ)償電流對(duì)靜電場(chǎng)的抑制效果。補(bǔ)償電流大小一定時(shí)，能夠達(dá)到最佳的靜電場(chǎng)抑制效果。設(shè)計(jì)并完成了縮比船模試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)論基本吻合。下一步的研究重點(diǎn)是外加補(bǔ)償電流大小與腐蝕電流大小對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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Study on the Effect of Static Electric Field Reduction with Impressed Current Compensation

Guo Xin1, Zheng Panfeng2, Geng Pan2, Yu Dingfeng2, Yang Wentie2, Yang Shuai2, Zhou Tong2

(1. China Ship Research and Development Academy, Wuhan 430000, China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

U674.7

A

1003-4862（2021）04-0043-03

2020-09-27

郭昕（1987-），男，碩士。研究方向：艦船電磁場(chǎng)應(yīng)用與防護(hù)。E-mail: wdmzshq@outlook.com