船舶大容量直流配电板磁场抑制措施研究

黄海伦

（中国舰船研究设计中心上海分部，上海 201108）

0 引言

舰船中压直流综合电力系统以中压直流电网结构为典型特征，具有对原动机的调速性能要求低、消除原动机转速和母线频率之间的相互影响、降低设备的噪声振动水平以及减轻电缆重量等优点，是舰船综合电力系统的发展方向[1～2]。中压直流电网具有更高的功率密度，其输配电网络直流电压可以采用±3 000～±10 000 V范围内的标准电压[3]。与此相应，综合电力系统中配置了大功率的中压整流发电机组、推进电机和大容量的直流配电板等设备，直流配电板主汇流排中通过的电流可达到数千安培。

大容量直流配电板中通过如此大的直流电流，所产生的磁场将不可避免地对船舶产生影响。目前世界各国水雷的磁引信，均按船舶的磁特性进行设计[4,5]。因此，对大容量直流配电板在通电时产生的磁场进行抑制，减轻对船舶磁隐身的影响，可有效降低水雷磁引信动作的发生。

目前对配电板的研究主要集中在交流领域[6-8]，对直流配电板及相关磁场的研究鲜见提及。本文在直流导线磁场理论的基础上，通过建立大容量直流配电板主汇流及整柜的磁场数值模型，分析其在通电状态下的外部磁场特征，进而提出相应的磁场抑制措施，并开展仿真研究，对其效果进行对比分析，确定了对大容量直流配电板磁场进行抑制的有效措施，有重要的工程应用价值。

1 直流导线磁场原理

如图1所示，从A点到B点有一段长直导线，其上有稳恒电流I流动。根据电磁场理论Biot-Savart定律[9]，导线AB在距离为r的空间P点处所产生的磁场为：

图1 载流直导线磁场

其中：B为磁感应强度，T；μ0为真空磁导率，H/m；I为导线电流，A；l为导线长度，m；H为磁场强度，A/m。

在直角坐标系下，AB线段上dl电流元产生的磁场在周围空间所产生的磁场强度为

当载流直导线与xoy面平行时，式（3）可简化为：

当载流直导线与y轴平行时，式（4）简化为：

2 直流配电板磁场仿真分析

采用通用电磁场仿真软件Flux，建立直流配电板（含内部主汇流排）的磁场数值模型，对主汇流排及整个配电板产生的磁场进行研究。

磁场评估位置为：

配电板下方14 m设立3条磁场评估线：中线、中线左、右两侧各8.5 m平行线，如图2所示。图中，方框为配电板俯视投影。

图2 磁场评估位置

根据消磁的理论和工程实践，仅对磁场的垂直分量展开分析。

在船舶主电网正常运行情况下，大容量直流配电板主汇流排流过的直流电流最大能达到5 kA。此时，主汇流排的电流走向如图3所示：

图3 主汇流排电路示意图

图中，箭头表示直流电流的流向。在配电板的原始设计中，内部设置左、右两组汇流排，每组汇流排正、负极各一根。

直流配电板（含主汇流排）的磁场建模如图4所示。

图4 配电板建模图

为了观察汇流排磁场对配电板整柜磁场的影响，以及配电板外壳板对汇流排磁场的屏蔽效果，对汇流排通过最大电流时所产生的磁场和配电板整柜磁场分开计算和分析。

汇流排通过最大电流时，在3条评估线上产生的磁场分布如图5所示。

图5 主汇流排磁场

可见，在通过最大电流状态下，汇流排在指定评估线上产生的磁场最大值为-109 nT，对应右侧评估线中部。左侧线和中线峰值相对较小，分别为-66 nT与-50 nT。

假设该直流配电板的外柜板采用某普通钢板，钢材厚度为2.6 mm，磁导率为218，对配电板整柜磁场进行仿真计算。

当汇流排通过最大电流时，配电板在3条评估线上产生的磁场分布如图6所示。

图6 配电板磁场分布

图7 壳板换材料后的配电板磁场

可见，在通过最大电流状态下，直流配电板在指定评估线上产生的磁场最大值为129 nT，出现在右侧评估线后部。左侧线和中线峰值相对较小，分别为-121 nT与-54 nT。

根据上述结果对比，在指定评估线上直流配电板所产生的磁场较汇流排单独产生的磁场幅值增大20 nT，说明配电板现有外壳板无法有效屏蔽汇流排所产生的磁场。

此外，与配电板所在船舶在相同评估线上的磁场幅值相比，配电板整柜磁场幅值占有相当程度的比例，影响较大。因此，为了减轻对整船磁场的影响，需要采取措施对配电板的磁场进行抑制，对配电板进行优化设计。

3 直流配电板磁场抑制措施

对于直流配电板在通电状态下的磁场抑制，提出以下两种措施：

1）磁场屏蔽

常用高磁导率的铁磁材料（例如硅钢片、坡莫合金等），其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。对于直流配电板而言，使用高磁导率材料的外壳板是一种较为可行的方式。

2）汇流排优化设计

由于汇流排通电后产生的磁场对通电状态下配电板的磁场起决定作用，因此，对汇流排进行优化设计，能够从根本上抑制配电板所产生的磁场。

下面将对这两种技术进行仿真分析与对比。

1）采用高磁导率外壳板

将直流配电板外壳板的材料从普通钢板换为磁导率为1 500的特种钢，重新评估配电板的总磁场（含汇流排和外壳板）。

在汇流排通过最大电流5 kA时，直流配电板在3条评估线上产生的磁场分布如下图所示。

根据上图，外壳板使用高磁导率材料之后的直流配电板在指定评估线上产生的磁场最大值为162 nT，出现在左侧评估线中部。右侧线和中线峰值相对较小，分别为-150 nT与125 nT。

可见，使用高磁导率材料之后的配电板所产生的磁场较原配电板磁场略大，幅值增加33 nT。这是由于，高磁导率外壳板也产生了一部分磁场，尽管汇流排所产生的磁场得到一定的抑制，但配电板整柜磁场反而略有增加。

这说明，配电板外壳板使用高磁导率材料，对汇流排所产生的磁场屏蔽效果有限。

增加配电板外壳钢板厚度的作用与提高外壳板磁导率的作用基本相同，对汇流排磁场也缺乏有效的屏蔽作用。

2）汇流排优化设计

由于直流配电板内部空间有限，结合实际情况，将主汇流排由正、负两根，拆分为正、负、负、正四根，每根汇流排电流为2.5 kA，如图8所示。

图8 优化设计后的主汇流排

图9 优化设计后的配电板磁场

主汇流排经过优化设计后，直流配电板在3条评估线上产生的磁场分布见下图。

根据上图，主汇流排经过优化设计之后的直流配电板在中、右、左3条评估线上产生的磁场幅值分别为-18 nT、-13 nT和-11 nT。

可见，优化设计之后的直流配电板所产生的磁场较原配电板减小约86%。这说明，经过优化设计之后，直流配电板的外部磁场得到了有效的控制，对船舶整体磁场的影响可忽略。其效果远优于对配电板外壳板采用高磁导率材料。

因此，对直流配电板的主汇流排进行优化设计是直流配电板通电状态下磁场抑制的有效措施。

4 结语

本文以通用电磁场仿真软件为工具，结合配电板实际状态，对大容量直流配电板的在通电状态下的外部磁场特征及相应抑制措施及进行了研究，得出以下结论：

1）以普通钢材为材料的外壳板无法有效屏蔽直流配电板主汇流排所产生的磁场；

2）在通以最大电流状态下，直流配电板磁场对整船磁场有比较大的影响；

3）直流配电板外壳板采用高磁导率材料，对主汇流排所产生的磁场屏蔽效果有限；

4）对主汇流排进行优化设计可显著降低直流配电板的外部磁场。

研究结果对工程应用有较为重要参考价值。