淺談電磁感應現(xiàn)象在船舶建造中的影響實例分析

李日明+李玉梅

摘 要：本文以船舶建造過程中的實際例子，簡要分析由電磁感應現(xiàn)象所帶來的困惑以及如何避免或者消除由電磁感應現(xiàn)象所帶來的影響。

關(guān)鍵詞：電磁感應現(xiàn)象；電磁感應定律；磁感應強度

中圖分類號：U 655.1 文獻標識碼：A

Abstract： This paper analyses the electromagnetic induction by taking actual examples during ship construction， and introduce how to avoid or settle the problems aroused by electromagnetic induction.

Key words： Electromagnetic induction； Faraday law of electromagnetic induction； Induced current； Magnetic flux density Zotdty

1 前言

從電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)至今，電磁感應定律的應用非常廣泛，給我們的生活帶來很多便利。但在某些領(lǐng)域，電磁感應也有負面的影響，使我們不得不去尋求方法來避免或者消除其帶來的影響。

2 實例分析一

（1）在船舶建造敷設(shè)電纜過程中，隨著發(fā)電機功率的增大，所對應電纜的橫截面積也要相應加大。但對于三相三線或者三相四線的電力系統(tǒng)，如果敷設(shè)三芯或者四芯的電纜，由于電纜橫截面積過大，電纜硬度大且重，工人不好操作，而且電纜在接入盒和接線的時候也很難操作。此時，我們就會考慮用單芯線來代替三芯或者四芯線，以減輕工作難度。

（2）我公司建造的一膄50 m海工船，3臺發(fā)電機的功率為350 kW，電力系統(tǒng)為三相三線制，額定電流為609 A，敷設(shè)三組120 mm?的單芯電纜。由于工人在敷設(shè)此單芯電纜時，并未注意分開三組，而是隨意的并排敷設(shè)，以致該船在做發(fā)電機滿負荷測試的時候，用來接地的金屬保護套產(chǎn)生感應電流過大，使包在接地線上的水線膠布被燒焦，好在及時發(fā)現(xiàn)才沒產(chǎn)生火災事故。究其原因，單芯電纜通過電流時會產(chǎn)生電磁場，磁場線的分布是以電纜的中心為軸心，以閉合圓環(huán)狀向周圍發(fā)散，越靠近電纜，磁場強度越強，電流越大。

（3）參照下列電磁理論的公式，可以很好地解釋上述情況：

單芯電纜金屬護套的感生電流：i=?/R （1）

式中：R為由金屬護套和船殼組成的回路的電阻；?為感生電動勢。

由公式（1）可以看出，只要單芯電纜敷設(shè)完畢，R的值就已經(jīng)確定了，所以感生電流i的大小就由?的值來決定。①?的電壓值等于磁通量的變化率，而變化率由發(fā)電機的頻率決定。②I為發(fā)電機的額定電流，積分路徑一般取單芯導線的橫截外表面圓環(huán)，那么磁感應強度B的值也可以確定，所以?的值大小就看有效面積S。簡單地說，每組單芯電纜靠得越近，S就越小。由于R的值非常小，所以?很小就能產(chǎn)生很大的電流。

（4）那么，如何避免上述影響或者使影響最小化呢？由公式H×dl=I知道，如果單芯電纜按品字形敷設(shè)（如圖1所示），沿扎帶路徑積分一周，可以得到任何時刻I等于零，使得積分路徑以外的地方不會產(chǎn)生磁場，自然就沒有電磁干擾。但對于每一根單芯電纜來說，金屬護套中還是會存在感生電流，只是這種方法能把感生電流降到最低。如果電纜為三芯或者四芯的話，那么，如圖2所示的積分路徑，同樣可得到任何時刻I等于零，所以在電纜表面以外也不會產(chǎn)生電磁干擾，由此可知，三芯或者四芯電纜在敷設(shè)時不需要刻意去排列。

（5）還需要注意的是，對于電池起動的主機或發(fā)電機，由于起動的瞬間電流非常大，產(chǎn)生的?將會比較大，為避免觸電危險，往往電池起動電纜都不帶金屬護套，而且整個回路盡量緊貼敷設(shè)。

3 實例分析二

某船主配電版已經(jīng)調(diào)試完畢，也通過了船級社的檢驗。但工人報告說總配電板的急停功能有問題，每次關(guān)閉電源時急停開關(guān)都會跳閘，以致每天早上送電時都要重新合上急停開關(guān)。

為此，首先檢查急停線路的原理圖，經(jīng)過分析原理圖沒問題。后經(jīng)過現(xiàn)場了解，原來工人在下班的時候為了盡快關(guān)閉電源收工，就直接分斷發(fā)電機的總開關(guān)，而不是先關(guān)掉用電設(shè)備之后再分斷發(fā)電機的總開關(guān)，導致急停開關(guān)每次都跳閘。究其原因，船上常用設(shè)備如機房風機、空氣壓縮機、空調(diào)壓縮機等感性設(shè)備，當突然斷電的時候，上述設(shè)備的線圈繞組就會產(chǎn)生正向磁力線來阻礙磁力線的減少，再加上馬達中的轉(zhuǎn)子線圈的慣性運動切割磁力線，產(chǎn)生感生電動勢，反向供電入主配電版，急停電路不能及時斷電使急停開關(guān)產(chǎn)生誤動作跳閘。經(jīng)過實船驗證，先分開上述感性設(shè)備的開關(guān)，再分開發(fā)電機的總開關(guān)，問題就解決了。

4 實例分析三

某船的外部消防炮系統(tǒng)，由主機軸帶消防泵運作，中間通過電磁離合器鏈接，有電吸合、斷電分離。

及其對應的線圈繞組端電壓與時間關(guān)系的曲線圖

圖3為簡單的電磁離合器控制電路和與其對應的繞組端電壓與時間關(guān)系的曲線圖。當開關(guān)合上通電，線圈繞組立刻產(chǎn)生磁場使離合器合上，消防泵運作；但從開關(guān)合上到T1完全磁化過程中，期間線圈繞組會產(chǎn)生反向的磁力線來阻礙磁場的增加，致使從合上開關(guān)到T1的時間段，磁場的增加是相對緩慢的，就會導致離合器咬合不夠緊密，轉(zhuǎn)動的時候甚至會產(chǎn)生火花，帶來額外磨損，使離合器很快報廢；當斷電離合的時候，離合器的線圈繞組會阻礙磁力線的減少，產(chǎn)生磁力線的方向與原來的磁力線方向一致。根據(jù)右手定則，可以確定感生電動勢的?的方向。雖然控制電路中加了一個二極管來放電，但還是遠遠達不到離合器快速分開的要求，同樣會出現(xiàn)通電合上時的那種磨損。

圖4是改進的控制電路和與其對應的繞組端電壓與時間關(guān)系的曲線圖。

及其對應的線圈繞組端電壓與時間關(guān)系的曲線圖

其中增加了一個斬波器模塊，去掉二極管。它的特點是當開關(guān)合上的時候，斬波器對離合器線圈繞組的端電壓進行鉗位輸出，使其大約在0.6 s的時間內(nèi)就完全被磁化，離合器能快速緊密吸合。當電路斷電，斬波器能輸出一個大小等值但反向的電壓，此電壓持續(xù)時間可以精確到毫秒級別，而且持續(xù)時間可調(diào)，能快速離合，避免不必要的磨損。

5 小結(jié)

綜上例子，雖然很多人都感覺很平常，不會去特別關(guān)注，但如果不去考慮電磁感應帶來的影響，往往會影響船舶的建造質(zhì)量，增加船舶的建造周期，造成不必要的人力物力浪費。

參考文獻

[1] 鐘順時.電磁場基礎(chǔ)[M].清華大學出版社，2006.