海水中帶電極電纜空中磁場的實(shí)場測量研究

石劍，劉忠樂，文無敵

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033）

海水中帶電極電纜空中磁場的實(shí)場測量研究

石劍，劉忠樂，文無敵

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033）

在對帶電極電纜的空中磁場進(jìn)行實(shí)場測量驗(yàn)證時，電纜的形態(tài)通常與理想狀態(tài)有較大差別，理想狀態(tài)下的磁場模型無法對其進(jìn)行有效驗(yàn)證。針對此問題，分析了實(shí)場條件下電纜形態(tài)與理想狀態(tài)的區(qū)別，對海水中帶電極電纜的空中磁場模型進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)前后的兩種模型進(jìn)行仿真計算對比。通過模型計算值與實(shí)場測量值對比表明，改進(jìn)后的空中磁場模型的計算值誤差較小，能夠更好地適用于海水中帶電極電纜空中磁場的理論驗(yàn)證。

電磁學(xué)；電極；電纜；實(shí)場測量；磁感應(yīng)強(qiáng)度

0 引言

航空磁探設(shè)備［1-2］可在高空中探測潛艇及其他水下磁性目標(biāo)，為應(yīng)對航空磁探設(shè)備帶來的威脅，可利用帶電極電纜模擬目標(biāo)空中磁場。很多學(xué)者已經(jīng)對帶電極電纜的空中磁場進(jìn)行了研究［3-6］。文獻(xiàn)［3］通過研究帶電極電纜的結(jié)構(gòu)原理，推導(dǎo)出了其在海水中產(chǎn)生磁場的計算模型。文獻(xiàn)［4］根據(jù)點(diǎn)電極電流密度的分布模型，推導(dǎo)求得點(diǎn)電極對在海水、空氣中產(chǎn)生磁場的計算模型。運(yùn)用推導(dǎo)的解析表達(dá)式，可以計算海水、空氣中任意點(diǎn)的磁場值。文獻(xiàn)［5］針對典型航空磁探設(shè)備的性能指標(biāo)，用磁偶極子磁場來等效潛艇磁場，研究了用海水中帶電極電纜所產(chǎn)生的磁場來模擬潛艇磁場，從而對抗航空磁探的方法。

現(xiàn)有的海水中帶電極電纜的空中磁場模型，都是將電纜部分視為直導(dǎo)線。然而在對海水中帶電極電纜的空中磁場進(jìn)行測量時，一般通過有一定間隔的定深設(shè)備（通常為浮球及鉛墜）進(jìn)行定深，且為方便布放，各定深設(shè)備之間的間隔較大，此時電纜在水中很難保持直導(dǎo)線狀態(tài)，造成測量結(jié)果與理論計算值存在一定的偏差，無法對測量結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證。針對此問題，本文以文獻(xiàn)［2-6］為基礎(chǔ)，充分考慮實(shí)際測量中電纜的形態(tài)，對海水中帶電極電纜的空中磁場模型進(jìn)行了改進(jìn)。并通過實(shí)場測量對改進(jìn)后的空中磁場模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)場測量時帶電極電纜的空中磁場

實(shí)場測量時帶電纜電極與理想狀態(tài)的主要區(qū)別是電纜的形態(tài)。理想狀態(tài)下電纜的形態(tài)如圖1所示，實(shí)場測量時電纜的形態(tài)如圖2所示?？墒紫确治鰩щ姌O電纜在理想狀態(tài)下的空中磁場模型，并以此為基礎(chǔ)推出其在實(shí)場測量時的空中磁場模型。

圖1 理想狀態(tài)下電纜的形態(tài)Fig.1 Shape of electric cable in ideal condition

圖2 實(shí)場測量時電纜的形態(tài)Fig.2 Measured shape of electric cable in seawater

1.1 理想狀態(tài)下帶電極電纜的磁場模型

帶電極電纜的磁場由電纜磁場和電極磁場兩部分組成［3］。首先對電纜磁場進(jìn)行分析，以電纜的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸的方向如圖3所示，其中x方向?yàn)殡娏鱅的方向。

圖3 載流電纜空間磁場模型Fig.3 Magnetic field model of conductor

文獻(xiàn)［5］推導(dǎo)出了載流電纜在空間任意點(diǎn)P（x，y，z）處的磁場計算公式為

式中:Hx1、Hy1、Hz1為載流電纜產(chǎn)生的磁場三分量；a為載流電纜半長。

再對電極磁場進(jìn)行分析，電極磁場由電極的線電流磁場和分流電流磁場組成。

建立圖4所示電極的直角坐標(biāo)系，以電極端點(diǎn)A在海水-空氣分界面（海平面）的投影O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，電極軸向?yàn)閤方向，海平面為z=0平面，豎直向下為z軸正向。

圖4 空氣—海水—海床三層模型Fig.4 Air-water-sea floor model

文獻(xiàn)［6］推導(dǎo)出了電極在空中產(chǎn)生磁場的計算公式，其中，電極的線電流在空間任意點(diǎn)P（x，y，z）處的磁場為

電極的分流電流在空氣中所產(chǎn)生的磁場為

式中:Hx3、Hy3、Hz3為電極產(chǎn)生的分流電流磁場三分量。

1.2 實(shí)場測量時帶電極電纜的磁場模型

實(shí)場測量時帶電極電纜的磁場模型中電極磁場與理想狀態(tài)下一致。因此，分析實(shí)場測量時帶電極電纜的磁場模型時僅需考慮電纜磁場。

假設(shè)實(shí)場測量時電纜上等距綁有n+1個定深設(shè)備，則電纜可視為由n個相同的弧形分段電纜組成。電纜在場點(diǎn)P（x，y，z）產(chǎn)生的磁場由n個弧形分段電纜在場點(diǎn)P產(chǎn)生的磁場組成。

對于其中任一弧形分段電纜，可建立空間直角坐標(biāo)系如圖5.

圖5中，Oxy平面與海平面平行，P點(diǎn)在其中坐標(biāo)為（x，y，z）.O0為弧形分段電纜的幾何圓心，r為其半徑。取角度微元dθ，其對應(yīng)的電纜微元rdθ可以視為直導(dǎo)線，在rdθ上建立空間直角坐標(biāo)系O′x′y′z′，其中O′x′與其電流方向相同，O′y′平行于Oy.l0為弧形分段電纜實(shí)際長度，l1為其在水平面上的投影長度，可定義下墜比φ=l1/l0.

圖5 弧形分段電纜示意圖Fig.5 Schematic diagram of arc segment electric cable

根據(jù)坐標(biāo)變換，可求得P點(diǎn)在O′x′y′z′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

由（1）式與（4）式可得，載流電纜微元Irdθ在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為

該磁場強(qiáng)度是建立在O′x′y′z′坐標(biāo)系上的，將其轉(zhuǎn)換到Oxyz坐標(biāo)系:

則對于整個弧形分段電纜，其在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為

則實(shí)場測量時電纜的磁場模型為

帶電極電纜各組成部分的相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=μ0H.

2 仿真分析與對比

當(dāng)帶電極電纜的電纜有效長度2a=74 m，電極長度l=10 m，通電電流I=100 A時，取海水深度h=100 m，帶電極電纜定深d=30 m，實(shí)場測量條件時下墜比φ=0.85，分別計算理想狀態(tài)下和實(shí)場測量條件下海平面正上方高度200 m平面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx、By和Bz，以及總強(qiáng)度B的大小和分布，如圖6～圖13所示。

從各分量的空間分布圖上可以看出:

1）理想狀態(tài)與實(shí)場測量條件下磁場各分量及總量的趨勢完全一致；

2）與理想狀態(tài)相比，實(shí)場測量條件下磁場各分量及總量的幅值較小。

3 實(shí)場測量與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證1.2節(jié)中推導(dǎo)出的實(shí)場條件下帶電極電纜磁場模型，在某海域進(jìn)行實(shí)場測量。試驗(yàn)時主要環(huán)境參數(shù)見表1.

圖6 理想狀態(tài)下Bx的分布Fig.6 Bxin the ideal condition

圖7 理想狀態(tài)下By的分布Fig.7 Byin the ideal condition

圖8 理想狀態(tài)下Bz的分布Fig.8 Bzin the ideal condition

表1 主要環(huán)境參數(shù)Tab.1 Main environmental parameters

圖9 理想狀態(tài)下總磁場分布Fig.9 B in the ideal condition

圖10 實(shí)場測量條件下Bx的分布Fig.10 Bxin measuring condition

圖11 實(shí)場測量條件下By的分布Fig.11 Byin measuring condition

圖12 實(shí)場測量條件下Bz的分布Fig.12 Bzin measuring condition

圖13 實(shí)場測量條件下總磁場分布Fig.13 B in measuring condition

圖14 磁場傳感器Fig.14 Magnetic sensor

磁場測量設(shè)備為Mag-03MSL100型磁場傳感器，如圖14所示。

電纜長度為2a=60 m，電極長度l=0.3 m，通電電流I=30 A，電纜定深d=2 m.使用6組定深設(shè)備進(jìn)行定深，如圖2所示。測量時，使用木船拖動帶電極電纜，木船上載有GPS設(shè)備，可進(jìn)行定位。以磁傳感器為原點(diǎn)，試驗(yàn)船航行軌跡如圖15所示。

磁傳感器所測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx、By和Bz，以及總強(qiáng)度B如圖16所示。

根據(jù)理想狀態(tài)下帶電極電纜磁場模型計算所得磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx、By和Bz，以及總強(qiáng)度B如圖17所示。

由試驗(yàn)時測得的電纜水平投影長度及其實(shí)際長度，求得其下墜比為φ=0.83.根據(jù)實(shí)場條件下帶電極電纜的磁場模型計算所得磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx、By和Bz，以及總強(qiáng)度B如圖18所示。

圖15 試驗(yàn)船航行軌跡示意圖Fig.15 Schematic diagram of ship trajectory

圖16 磁傳感器所測得磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig.16 Measured magnetic induction intensities

圖17 理想狀態(tài)下磁場模型所得磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig.17 Simulated magnetic induction intensities in ideal condition

圖18 實(shí)場條件下磁場模型所得磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig.18 Simulated magnetic induction intensities in measuring condition

由圖16分別與圖17、圖18對比可知:

1）理想狀態(tài)下磁場模型各分量及總量幅值比試驗(yàn)值大約25%～35%；

2）文中推導(dǎo)所得的實(shí)場條件下的磁場模型更接近試驗(yàn)值，誤差小于5%。

改進(jìn)后的磁場模型可適用于對實(shí)場測量所得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文首先對實(shí)場測量條件下電纜形態(tài)與理想狀態(tài)下的區(qū)別進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)對理想狀態(tài)下帶電極電纜的空中磁場模型進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)出實(shí)場條件下帶電極電纜的空中磁場模型，并進(jìn)行仿真計算對改進(jìn)前后兩種模型進(jìn)行對比，得出兩種模型計算值的主要區(qū)別。然后重點(diǎn)進(jìn)行了海上實(shí)場測量，將實(shí)場測量值分別與改進(jìn)前后的磁場模型計算值進(jìn)行對比可知，改進(jìn)后的模型能夠有效降低理論計算值與實(shí)場測量值的誤差，更好地適用于對海水中帶電極電纜的空中磁場進(jìn)行理論驗(yàn)證，具有重要的實(shí)際意義。

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Study of the Magnetic Field Measurement of Electric Cable with Electrodes in Seawater

SHI Jian，LIU Zhong-le，WEN Wu-di
（Department of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

The shape of electric cable quitely differs from that of straight wire in the process of measuring the magnetic field of electric cable with electrodes in seawater，so it cannot be checked by the models of straight wire.For this question，the formula is improved by analyzing the difference between straight wire and electric cable in seawater，and the original and improved formulas are compared through simulation calculation.Comparison of calculated and measured values shows that the improved formula has smaller error，and it's more applicable to the checking of the magnetic field of electric cable with electrodes in seawater.

electromagnetics；electrode；electric cable；field measurement；magnetic induction intensity

TJ67

A

1000-1093（2015）07-1295-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.019

2014-10-11

石劍（1991—），男，博士研究生。E-mail:forheima@qq.com；劉忠樂（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師。