消磁船外消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

王世一， 安德紅

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

消磁船外消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)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(duì)， 浙江 舟山 316000)

艦船磁場包括感應(yīng)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(jìn)行消除勤務(wù)的重要執(zhí)行單位，因此研究消磁船外消磁系統(tǒng)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(tǒng)的組成和作用進(jìn)行分析，闡述消磁船建造過程中主要工藝流程及試驗(yàn)方法，為了解艦船消磁系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，有序開展消磁船建造、試驗(yàn)提供參考。

外消磁系統(tǒng)；消磁船；消磁系統(tǒng)

0 引言

眾所周知，地球是一個(gè)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(gòu)成的物體在地球磁場內(nèi)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(gòu)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(dú)特的磁特性，形成艦船磁場，因此艦船消磁技術(shù)應(yīng)用而生。

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

1 艦船磁場產(chǎn)生及組成

艦船是由鋼鐵建造的，兩個(gè)主要因素導(dǎo)致艦船周圍存在磁場：一個(gè)因素是艦船船體和設(shè)備材料均屬鐵磁性材料；另一個(gè)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(yīng)磁場[1]和固定磁場[1]。其中：感應(yīng)磁場是指鋼鐵艦船在地球磁場作用下，艦船周圍產(chǎn)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(yīng)力變化等作用后產(chǎn)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(qū)變化。艦船磁場一般指的是鐵磁性磁場，由感應(yīng)磁場和固定磁場兩部分組成。此外，艦船還存在運(yùn)動過程中切割磁力線產(chǎn)生的渦流磁場、內(nèi)部大量通電電纜和交直流電機(jī)等產(chǎn)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(zhì)艦船一般不予考慮，只對磁性指標(biāo)要求非常高的艦船才進(jìn)行防護(hù)。

圖1 地球磁場

序號種類量級/nT備注1揚(yáng)聲器磁鐵表面磁場(2～4)·1070.02～0.04T2電機(jī)內(nèi)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(xiàn)采取的措施6設(shè)備磁場(無屏蔽)100～500

2 消磁船外消磁系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行磁場測量和線圈調(diào)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(fù)作用而實(shí)現(xiàn)無磁滯磁化，同樣其在零值磁場中受外部能量反復(fù)作用也能實(shí)現(xiàn)無磁滯退磁。

艦船消磁方法主要包括固定繞組消磁法、臨時(shí)線圈消磁法、聯(lián)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(diào)整器等設(shè)備，當(dāng)電源通電時(shí)，繞組電流產(chǎn)生與艦船磁場大小相等、方向相反的磁場，從而達(dá)到抵消艦船固定磁場及感應(yīng)磁場的目的。

(2) 臨時(shí)線圈消磁法。這種消磁法是通過專門的消磁船(站)進(jìn)行的。消磁時(shí)要在被消磁的艦船外面繞上臨時(shí)線圈，或?qū)⒈幌糯_到敷設(shè)好電纜的消磁站去，通過供電設(shè)備產(chǎn)生大電流破壞艦船磁場結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到消除艦船固定磁場和抵消一部分感性磁場的要求。

(3) 聯(lián)合消磁法。這種消磁法是指將固定線圈法和臨時(shí)線圈法相結(jié)合的方法。

3 消磁船外消磁系統(tǒng)組成及作用

消磁船外消磁系統(tǒng)主要由主消磁電源設(shè)備、副消磁電源設(shè)備、消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)備、磁場測量及分析設(shè)備、消磁電纜、繞送電纜設(shè)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(yè)。消磁作業(yè)時(shí)，消磁線圈臨時(shí)纏繞在被消磁艦船上，共有1組工作線圈、2組補(bǔ)償線圈，其中：工作線圈中通以正負(fù)相間、間歇、衰減的矩形電流實(shí)現(xiàn)無磁滯退磁；補(bǔ)償線圈通以恒定電流用以補(bǔ)償?shù)卮艑ε灤淖饔谩?/p>

圖2 一對一消磁狀態(tài)圖

3.1 主消磁電源設(shè)備

國內(nèi)消磁船主消磁電源目前一般采用直流發(fā)電機(jī)組為消磁工作線圈提供消磁電流。當(dāng)消磁船處于消磁工況時(shí)，通過同步控制技術(shù)，協(xié)調(diào)消磁脈沖發(fā)電機(jī)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(jìn)行綜合消磁時(shí)用以產(chǎn)生振幅逐漸衰減的正負(fù)交變磁場。根據(jù)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(shè)備一般包括消磁發(fā)電機(jī)組、自動開關(guān)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(shè)備

副消磁電源一般由調(diào)壓-變壓器(或調(diào)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(wù)工作中有加繞局部補(bǔ)償線圈的需要，需提供4組獨(dú)立輸出的地磁補(bǔ)償線圈電流供消磁時(shí)使用。

圖5 副消磁系統(tǒng)控制原理

3.3 消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)備

其主要包含中央控制臺、勵(lì)磁柜、電源柜、繼電柜、電阻箱、現(xiàn)地控制柜等。消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)隨著電力電子元器件和控制器的發(fā)展而飛速進(jìn)步。原來的控制儀器包括繼電器、開關(guān)等元件，設(shè)備重量和尺寸大，控制精度不夠，操作復(fù)雜。隨著PLC和集成模塊技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今控制系統(tǒng)正向穩(wěn)定性、集成化、智能化、可程序化的方向發(fā)展。消磁推進(jìn)控制系統(tǒng)的管理及控制單元是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，是進(jìn)行自動化控制的保障，采用集中管理、分散控制的模式。監(jiān)控系統(tǒng)提供對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況執(zhí)行控制，向用戶提供操作接口，實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷和保護(hù)控制，并可提供消磁和推進(jìn)控制功能。

3.4 磁場測量及分析設(shè)備

其主要由手提式測磁儀、磁場分析設(shè)備等構(gòu)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(chǔ)[4]。

3.5 其他設(shè)備

消磁電纜主要用于被消磁船消磁繞組。

消磁繞纜設(shè)備包含電纜收放裝置、電纜卷車、電纜轉(zhuǎn)運(yùn)叉車、起重設(shè)備等，主要是為提高消磁電纜轉(zhuǎn)運(yùn)、收放效率而配備。

4 外消磁系統(tǒng)建造工藝要求

目前，國內(nèi)消磁船一般采用電力推進(jìn)。一方面，在推進(jìn)工況時(shí)，直流發(fā)電機(jī)組可以直接為推進(jìn)電機(jī)供電，為艦船提供航行動力；另一方面，在消磁工況時(shí)，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(shí)現(xiàn)，建造過程中要重點(diǎn)做好以下控制。

(1) 設(shè)備布置設(shè)計(jì)。由于主回路控制板、自動開關(guān)柜、調(diào)壓-變壓器、整流器等設(shè)備體積大且工作時(shí)會產(chǎn)生較大熱量，因此在布置時(shí)要合理利用艦船艙室空間。對于工作艙室內(nèi)中央控制臺、勵(lì)磁柜、繼電柜、電源柜、副消磁控制臺等設(shè)備要平齊擺放，便于人員操作、管理；對于機(jī)艙區(qū)域的大型設(shè)備，布置時(shí)應(yīng)在確保日常操作、保養(yǎng)便利的同時(shí)充分考慮設(shè)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(shè)設(shè)計(jì)。由于消磁船采用直流電力推進(jìn)，因此消磁控制電纜及電力電纜敷設(shè)尤為重要。其中，消磁控制系統(tǒng)主回路電力電纜屬五類強(qiáng)干擾電纜之一，在電纜線路設(shè)計(jì)時(shí)需單獨(dú)設(shè)置，且與其它各類電纜間隔至少300 mm。電纜排列應(yīng)按“+”“-”依次有序排列，使磁場正負(fù)抵消，避免對附近設(shè)備及電纜造成干擾。接線端子應(yīng)清晰標(biāo)識，一般正(+)端標(biāo)紅色，負(fù)(-)端標(biāo)藍(lán)色。同時(shí)，對于推進(jìn)消磁控制系統(tǒng)信號電纜，在敷設(shè)時(shí)需根據(jù)信號源的特點(diǎn)單獨(dú)穿管敷設(shè)，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(tǒng)試驗(yàn)方法

外消磁系統(tǒng)將直接影響消磁船的消磁性能，故在試驗(yàn)過程中需對外消磁系統(tǒng)進(jìn)行充分有效試驗(yàn)，以確保其性能得以有效實(shí)現(xiàn)。

5.1 主消磁系統(tǒng)

5.1.1 試驗(yàn)工裝

手持式測速儀、多功能數(shù)據(jù)記錄儀、可調(diào)式負(fù)載電阻(耐壓、抗脈沖電流)及通用儀表等。

5.1.2 試驗(yàn)流程及方法

(1) 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。① 組織進(jìn)行試驗(yàn)前設(shè)備安裝、系統(tǒng)負(fù)載接線及系統(tǒng)絕緣檢查；② 主消磁控制系統(tǒng)保護(hù)、操作轉(zhuǎn)換及聯(lián)鎖功能檢查；③ 無線模塊和接口檢查(待有時(shí))；④ 消磁發(fā)電機(jī)組脈沖工況調(diào)整試驗(yàn)。

(2) 一般消磁試驗(yàn)。在消磁發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下，分別接入不同阻值消磁負(fù)載，按照脈沖持續(xù)時(shí)間要求，調(diào)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(fā)電機(jī)電樞電壓、電樞電流、轉(zhuǎn)速波形圖。單個(gè)脈沖波形要求如圖6所示。

圖6中： t1為上升時(shí)間；t2為脈沖通電時(shí)間；t3為下降時(shí)間；Im為脈沖電流峰值；I0為脈沖電流終值；IH為脈沖電流標(biāo)稱值；σ為超調(diào)量。 須注意的是脈沖下降沿不應(yīng)出現(xiàn)反向電流。

(3) 綜合消磁試驗(yàn)。綜合消磁試驗(yàn)按規(guī)定阻值負(fù)載電阻分別進(jìn)行。在電流首脈沖以下時(shí)，均勻遞減，遞減次數(shù)不小于40次。脈沖電流波寬2～6 s可按級差0.5 s調(diào)節(jié)，間隙時(shí)間2～20 s可按級差2 s調(diào)節(jié)。在按要求取多個(gè)模式測試后取消磁發(fā)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形及勵(lì)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(gè)周期的電流脈沖示意圖

5.2 副消磁系統(tǒng)

5.2.1 試驗(yàn)條件

船舶電站系統(tǒng)交驗(yàn)完畢，整流柜風(fēng)機(jī)完好且滿足流量要求，與主消磁系統(tǒng)間通信和報(bào)警功能正常。

5.2.2 試驗(yàn)工裝

水負(fù)載或電站智能負(fù)載箱、試驗(yàn)用測試儀表設(shè)備。

5.2.3 試驗(yàn)流程及方法

(1) 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。① 設(shè)備安裝、接線及絕緣電阻檢查；② PLC及整流機(jī)通風(fēng)機(jī)狀態(tài)檢查；③ 調(diào)壓變壓器、調(diào)壓器及負(fù)載接線檢查；等。

(2) 空載操作及PLC系統(tǒng)檢查試驗(yàn)。

分別對副消磁電源進(jìn)行手動升壓調(diào)壓試驗(yàn)、手動降壓調(diào)壓試驗(yàn)、空載自動升壓調(diào)壓試驗(yàn)、空載自動降壓試驗(yàn)。

手動升壓調(diào)壓試驗(yàn)。首先將調(diào)壓器空載電壓調(diào)到最小，記錄最小空載電壓；然后進(jìn)行均勻、連續(xù)升壓調(diào)節(jié)操作，并從電壓表觀察直流電壓上升情況；最后在達(dá)到額定電壓后，繼續(xù)升高電壓至額定電壓120%，記錄電壓值。

手動降壓調(diào)壓試驗(yàn)。首先從最高電壓120%往下降壓，記錄最高電壓；然后進(jìn)行均勻、連續(xù)降壓調(diào)節(jié)操作，并從電壓表觀察直流電壓下降情況；最后將調(diào)壓器空載電壓調(diào)到最小，記錄最小空載電壓。

空載自動升壓調(diào)壓試驗(yàn)。將調(diào)壓器空載電壓調(diào)到最小，記錄最小空載電壓；然后將電壓設(shè)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(yàn)。從最高電壓往下降壓，記錄最高電壓；進(jìn)行均勻、連續(xù)降壓調(diào)節(jié)操作，并從電壓表觀察直流電壓下降情況；將調(diào)壓器空載電壓調(diào)到最小，記錄最小空載電壓。

(3) 負(fù)載性能試驗(yàn)。以試驗(yàn)負(fù)載為水電阻為例。負(fù)載試驗(yàn)時(shí),自動控制，電流100%、電壓100%，通電30 min，當(dāng)電壓變化超出120%范圍時(shí)，隨時(shí)調(diào)節(jié)水電阻阻值，維持電流。每隔10 min記錄半小時(shí)內(nèi)調(diào)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(jié)束語

未來消磁系統(tǒng)會逐步向交流機(jī)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(fā)展，消磁能力及精度都將得到大幅度提高。目前，國內(nèi)消磁船受消磁場地、測量方式及人員素質(zhì)等因素的制約而導(dǎo)致應(yīng)用率較低。隨著科技不斷發(fā)展，國內(nèi)艦船消磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性及自動化程度將進(jìn)一步提高。

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.艦艇及其裝備術(shù)語 消磁：GJB 175.3-1988[S]. 1988.

[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)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(yè)出版社，1983.

[4] 張國友.艦船消磁系統(tǒng)原理與設(shè)備[D].武漢：海軍工程學(xué)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?yàn)榇半姎夤こ獭?/p>

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