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)結構為典型特征，具有對原動機的調(diào)速性能要求低、消除原動機轉速和母線頻率之間的相互影響、降低設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，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域[6-8]，對直流配電板及相關磁場的研究鮮見提及。本文在直流導線磁場理論的基礎上，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，有重要的工程應用價值。

1 直流導線磁場原理

如圖1所示，從A點到B點有一段長直導線，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 載流直導線磁場

其中：B為磁感應強度，T；μ0為真空磁導率，H/m；I為導線電流，A；l為導線長度，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

當載流直導線與xoy面平行時，式（3）可簡化為：

當載流直導線與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設立3條磁場評估線：中線、中線左、右兩側各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。在配電板的原始設計中，內(nèi)部設置左、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，對應右側評估線中部。左側線和中線峰值相對較小，分別為-66 nT與-50 nT。

假設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)在右側評估線后部。左側線和中線峰值相對較小，分別為-121 nT與-54 nT。

根據(jù)上述結果對比，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率對干擾磁場進行分路。對于直流配電板而言，使用高磁導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進行仿真分析與對比。

1）采用高磁導率外殼板

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)在左側評估線中部。右側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)化設計

由于直流配電板內(nèi)部空間有限，結合實際情況，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)化設計后的主匯流排

圖9 優(yōu)化設計后的配電板磁場

主匯流排經(jīng)過優(yōu)化設計后，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率材料。

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

4 結語

本文以通用電磁場仿真軟件為工具，結合配電板實際狀態(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抑制措施及進行了研究，得出以下結論：

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)化設計可顯著降低直流配電板的外部磁場。

研究結果對工程應用有較為重要參考價值。