潜艇专项试验的电磁兼容管理与控制

2013-12-02杨华荣

舰船科学技术 2013年4期

殷虎，杨华荣，刘钢

(1.海军驻719 所军事代表室，湖北武汉430064;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064)

0 引言

潜艇作为一个封闭舱体，空间狭窄，装备了大量成套的电子电气设备。设备、电缆密集度高，在潜艇内部形成了一个复杂的电磁场环境［1］。复杂电磁环境下，可能出现一些系统间或设备间的电磁干扰问题，为此，各国海军对潜艇的电磁兼容控制都十分关注和重视。从工程初期开始，通过采取各种设计和控制措施，加强对工程三级(设备、系统和总体)电磁兼容设计、管理与控制，从而降低实艇出现电磁干扰的概率，这已成为各国海军潜艇电磁兼容控制的通常作法［2］。根据经验，作战潜艇或正式装备只要严格遵循整个电磁兼容设计控制要求，潜艇的总体电磁环境可控，实艇出现电磁干扰的概率是比较低的。

潜艇武器和各种装备正式列装前，通常都需要进行陆上、海上和实艇的专项试验，这些试验对于武器装备的正式列装至关重要，尤其是实艇的专项试验，对于完善设计、改良性能、验证与平台的匹配性都是武器装备定型的关键试验。专项试验过程中，为了获取大量的测试数据，必然需要临时安装和配置一些临时上艇的测试设备和仪器，这些设备大多为商用或工业用仪器仪表。出于成本考虑，未经过专门的电磁兼容设计，势必对潜艇原有的良好的电磁兼容环境和性能构成影响。为了有效降低试验过程中出现试验设备和装艇设备或试验设备之间电磁干扰的概率，必须要加强临时测量设备的电磁兼容管理、控制、测试与评估，并有针对性地采取各种防干扰预防措施。下面章节内容，结合某潜艇专项试验的电磁兼容控制要点，谈谈潜艇专项试验中的电磁兼容管理与控制。

1 专项试验电磁兼容控制策略

电磁兼容控制是一项系统工程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分地予以考虑和实施才能有效，科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分［3］。在控制干扰的策略上采用了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方式。人类在征服大自然各种灾难性危害中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略，在控制电磁危害中同样是极其有效的思维方法［4］。

对于潜艇各种专项试验的电磁兼容控制，由于整个试验周期短，工程经费有限，临时设备较多，而且大多为直接采购不能完全实施EMC 设计与控制，因此，完全照搬原有的工程电磁兼容控制与管理方法是不符合实际情况的，必须采取有所为、有所不为的思想，分析和抓住专项试验的电磁兼容关键控制要素，才能起到有效控制的效果。笔者认为，专项试验的电磁兼容控制的重点应放在总体EMC 设计和试验过程的监控上，临时设备的EMC 控制由于其相对不可控性应相应弱化，在此基础上还需要加强各种干扰预防措施的设计，这样的控制思想才是符合专项试验实际情况的。专项试验电磁兼容控制过程如图1所示。

2 平台电磁环境分析和预测

作好潜艇专项试验的电磁兼容控制，必须首先对潜艇试验平台原有的电磁环境进行分析，对临时设备上艇后的电磁环境进行预测。作战或试验潜艇通常都是经过完整的电磁兼容控制和管理过程的，期间积累了大量的设备、系统和总体各阶段的电磁兼容检测数据，必要时，可针对专项试验对潜艇进行勘验和补充性电磁环境测试。在方案论证阶段，需结合专项试验的需求、临时设备电磁兼容特性，对平台舱室的电磁环境进行分析，尤其是一些敏感设备、电缆和电网供电部位的电磁环境，结合电磁兼容安全裕量控制要求，提出临时设备的电磁兼容设计要求和防护要求，同时，利用电磁兼容仿真软件和工程控制经验，开展设备的EMC 布置、电网配置、接地系统优化等有针对性的总体电磁兼容初步设计。

3 临时设备的电磁兼容控制

根据潜艇电磁环境的预测分析结果，结合其布置位置和周边电磁环境情况以及设备的电磁兼容特性，提出临时上艇设备的电磁兼容要求，包括设计要求和考核要求。对于新研设备，则应尽量按照潜艇装备的电磁兼容要求进行设计、控制与管理;对于直接购买的商用仪器、仪表类设备(直采设备)，重新设计往往经费周期都存在问题，所以更为务实的作法是，尽可能地掌握其真实的电磁兼容状态，通过系统或总体电磁兼容设计与控制，降低电磁干扰出现的概率。所以新研设备应提出设计要求和考核要求，而直采设备则应重点提出考核要求。设计要求一般具有一定的通用性，这里不作描述。考核要求则需要结合实艇布置、电磁环境控制、安全裕量以及电磁兼容标准综合分析得出，目前，我国潜艇采用的电磁兼容标准多为GJB151A-97［5］和HJB34-90［6］，考核项目大致分为电磁发射和电磁敏感度2 类(见表1)，在制定考核项目的同时还应对个别项目的频段等进行剪裁。

表1 临时设备的一般电磁兼容考核/摸底项目Tab.1 Temporary equipment，electromagnetic compatibility assessment of the general/diagnostic item

临时设备完成电磁兼容测试后，总体EMC 技术责任单位的测试数据作为完善总体电磁环境预测分析、设计和预防措施设计的依据，同时应对其电磁兼容性进行评估，提出防护要求，必要时还应提出相应的整改要求。

4 总体电磁兼容设计与防护

4.1 加强电网配电EMC 设计

在电力负荷平衡以及总体布置、使用等满足功能使用的基础上，对临时设备的电网供电应进行EMC 优化设计，有条件时，首先应保证临时设备与装艇设备的分开、分相供电;其次，临时设备尽量采用单独的舰用变压器进行隔离供电;之后临时系统采用分路供电，这样即使出现电网干扰问题，采取隔离和保护措施也较为容易。

4.2 加强信号电缆辐射优化设计

在潜艇出现的各种电磁干扰中，由于电缆耦合(线缆耦合或场缆耦合)而出现的干扰问题十分常见，临时设备使用的各种信号电缆屏蔽效能差，加上装艇时未采取严格的电磁兼容工艺进行处理，发生电磁干扰的概率很高。因此，应结合设备CS114 和CS116 的测试结果和实艇情况，对需要重点防护的各种模拟、数字信号电缆进行统计和分类，提出相应的电缆敷设要求和电缆屏蔽层处理工艺要求。

4.3 预置电源EMI 滤波器

电源EMI 滤波器和瞬变及尖峰抑制器既能毫无衰减地把50 Hz、直流或400 Hz 的电源传输到负载上去，又能十分有效地抑制电磁干扰(EMI)信号，实现电子设备和系统的电磁兼容性。它主要用于有敏感度要求的系统配电盘前，以达到减小共电网设备间的传导干扰的目的。在实际设计与配置过程中，由于滤波器对地电容过大，应尽量采取预防性设置方式，即先预留后使用的方式，避免产生较大的地电流，引起电网故障。

4.4 设置谐波干扰预防装置

从以往的专项试验测试数据来看，无论是装艇设备还是临时设备在CE101 的工频谐波电流(3～11 次)上都存在一定超标，供电网上谐波过高可能造成设备电源发热损坏、继电器误动作、通信干扰等问题，除了对电网谐波进行监测的同时，还应加装谐波干扰预防装置，目前对于低次谐波的抑制，无论是无源谐波滤波器，还是有源谐波抑制装置都有较为成熟的产品，总体EMC设计时应根据电网和负载特性进行选型、配置和适应性设计。

4.5 电磁兼容工艺设计

电磁兼容工艺电磁兼容控制的一个重要环节，也是保证总体、系统、设备电磁兼容防干扰措施得到有效发挥的重要措施［8］。应针对设备接地、电缆屏蔽层搭接、屏蔽钢管接地、电缆敷设，制定规范的电磁兼容工艺，尤其是对电缆屏蔽层的接地工艺应加强控制。

4.6 开展适应性总体电磁兼容测试与综合评估

专项试验前，应在潜艇系泊或航行试验阶段进行总体电磁兼容测试，应以专项试验为典型工况，对全艇进行电磁兼容试验，试验内容主要包括舱室电场、磁场、电网电磁环境和综合干扰试验，必要时还可以增加如电缆屏蔽层感应电流、地电流测试等项目，这些项目中尤以综合干扰试验为重点，应以干扰类型设备和频段的不同，列出干扰矩阵表。实施过程中，为了增加概率性，干扰设备至少运行或启停3 次。试验完成后，需对测试结果进行综合评估分析，对电磁兼容薄弱环节采取预防和补救措施。

4.7 专项试验过程中实施电磁环境监测

电磁兼容问题有其随机性和偶然性，通过电磁兼容控制后，可以降低电磁干扰的概率，但并不能确保不出现一例电磁干扰问题。因此，对于专项试验，在做好干扰预防的同时，还应针对各阶段的测试数据和分析结果，对可能出现问题的环节和部位进行电磁兼容监测，在某艇专项试验中，就针对电网环境恶劣的问题实施了专项试验中的电网电磁环境监测，有效解决了多起可能出现的电磁干扰问题。同时，电磁环境监测装置还可以发现一些潜在的电磁干扰问题，如装备老化引起的舱室电场异常，局部电缆破损引起的电磁泄漏等，监测中发现的问题可以及时采取措施，防止各种可能的电磁干扰发生。