現代雷達對電站的新要求及對策

彭繼林

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

柴油發電機組是目前應用非常廣泛的發電設備，通常用作郵電通信部門、財政金融部門、醫院、學校、工礦企業及住宅的應急備用電源，野外作業、車輛及船舶等特殊用途的獨立電源等【4】，而軍用雷達電源(以下統稱電站)使其重要的一個分支，相比民用電源來講，軍用電站的技術指標更高。配套軍用電站功率在1kW ～60kW 之間的火控雷達、炮位偵校雷達、目標搜索雷達系統。一方面由于PWM 型AC—DC、DC—DC 等開關電源的大量使用，以固態電力電子器件控制大功率裝置等，目前已不再使用中頻400Hz 或雙頻50Hz、400Hz 電站，而用與市電供電體制一致的50Hz、380V/220V 柴油電站。另一方面，隨著內燃機電站技術的發展，控制模塊的數字化，無刷發電機取代了有刷發電機，電站控制趨向智能化，電站動力普遍采用優質的高速柴油發動機，因此，這些雷達的配套電站在電氣性能指標和功能上除要滿足國軍標要求(如:GJB235A 軍用交流移動電站通用規范，GJB5785 軍用內燃發電機組通用規范)和雷達的用電指標要求外，軍用雷達對其配套電站還提出了以下幾方面新的、迫切的要求:電站結構的適配性要求;電站的可靠性和維修性要求;電站的電磁兼容性要求;電站波形的正弦畸變性要求;電站的隱蔽性要求。

1 電站結構的適配性要求

1.1 電站結構的適配性要求

表1 現代雷達電站結構適配性要求

本文討論的電站都是與雷達裝在同一輛越野車上的，因此要求電站具有重量輕、體積小、噪聲低等突出特點。電站適配性若能實現表1 雷達電站結構適配性要求，將是現代雷達電站追求的目標。

1.2 達到適配性要求的主要對策

1.2.1 減小電站重量和縮小電站體積的最有效方法【5】

電站中柴油發動機和發電機是決定電站體積、重量的關鍵件。對發電機來說，發電機的容量為:

式(1)中:S 為發電機容量

C 為發電機的阿諾爾常數(表征發電機電磁材料利用的常數)

D 為發電機的定子內徑

L 為發電機鐵芯長度

N 為發電機的轉速

從上式可知，在發電機的容量大小確定后，要有效縮小發電機的體積和重量D·L 的乘積，只有提高發電機的轉速N。但要保證交流發電機輸出頻率F=50Hz 不變，還決定以下因素【7】:

式(2)中:F 為頻率(50Hz)

N 為發電機轉速

P 為發電機的磁極對數

從上式可知，發電機磁極對數取50Hz 發電機的最高轉速為3000rpm.

對柴油機來說，輸出的有效功率Ne 為【4】:

式(3)中:Pe 為發動機氣缸內的平均有效壓力

Vh 為發動機活塞排量

Z 為發動機的汽缸數

τ 為發動機工作沖程數(柴油機均為4 沖程)

N 為發動機轉速

從上式可知，電站輸出功率確定后，發動機的有效功率Ne 是定值，柴油機壓縮比是一定的，因此Pe也是確定值，對柴油機來講，它的沖程數τ 也是定值，要有效縮小發動機的體積和重量，只有減小活塞排量和汽缸數，因此只有用高轉速的發動機來保證電站的輸出功率達到要求。為了與發電機匹配，因此發動機的轉速也選3000rpm，可有效減輕發動機的體積和重量。

以目前最先進的低噪聲柴油發電機，德國熊貓發電機組為例【3】，見表(2)。

表2 1500rpm 和3000rpm 德國熊貓電站比較

從上表可見，國外先進國家的電站水平已經遠遠超過我們，并且現在8kW 以下發電機傾向用永磁發電機，變速變頻發電來減小電站的體積和重量，這類電站的特點為額定功率時發電機高速運轉，負載下降時轉速也自動降低，而且頻率和電壓的穩定用AC—AC 逆變器來實現實現。

1.2.2 降低電站噪聲的途徑【2】

降低電站工作時的噪聲，又能確保體積小，高溫工作可靠，目前解決得好的是Fischer Panda 公司的第二代超靜音電站，它將電站的噪聲源:發動機及發電機座體用密閉的隔聲和吸音罩來降噪，發動機和發電機產生的熱量由流動的水來引出，外部用一體式水散熱器和低噪聲電動風機散熱，配用阻容復合或消聲器。當設計選用4DS(五層隔音材料，最大隔音板厚40mm)，電站噪聲可降至70dB(A)以下，可見效果相當明顯。

2 提高電站的實際可靠性和維修性

2.1 提高電站的可靠性

電站的可靠性直接影響雷達系統的使用狀態和效率。目前我所裝備部隊的雷達產品已很多，所配套的電站有6、7 種之多，就拿近幾年配套的12KW、20KW 和30KW 電站來講，它們的可靠性指標為:MTBF≥1000h，符合國軍標GJB5785 的要求，也符合產品工程設計要求，而且產品鑒定試驗時都是合格的，但在批量生產后，暴露的質量問題很多，集中表現在零件質量差(如:油管、密封件、機電類器件);工藝不穩定(如:裝配、焊接、布線等);加之沒有按時進行維護和保養(包括發動機和發電機，這兩方面均有嚴格的定期保養流程和規范);同時還有一些設計方面的問題(如超速保護誤動作、應急啟動無時間要求等等方面的設計缺陷)，所有這些問題均導致裝備部隊的產品，其可靠性不盡人意。

除以上設計、生產、維護保養方面的問題外，電站的可靠性還取決于內燃機的可靠性，據統計，內燃機的故障率約占電站故障的60%左右。由于西方發達國家工業制造水平先進，內燃機的可靠性指標大約為我國的2 倍(我國內燃機MTBF 平均水平為800h，國外平均水平為1500h，先進水平為2000h。)，因此要使軍用電站的MTBF 遠大于1000h，就首先要使用國外先進的，成熟的內燃機。就目前來講，與國內先進電站相比，德國軍用第二代超靜音電站MTBF 已達到2500h，我們的差距還很大。

2.2 提高電站的可維修性

雷達電站在設計定型前的任務書或技術要求中都要規定可維修性MTTR 指標，我所目前配套的12kW、20kW 和30kW 電站MTTR≤1 小時，但這些指標也只是文字上的規定，對實際工作指導作用有多大卻值得商榷，況且現在的雷達系統為了追求小型化，提高戰場生存能力，都采用了機動性很好的車載移動形式，但同時給雷達電站的維修卻帶來極大的不便。我們知道，電站多數維修是對發動機的維修和保養，并且經常要更換三濾(空氣濾清器、機油濾清器、燃油濾清器)，若電站放置在地面或將電站放在周圍空間比較大的車上，維修保養還是可以的，但現在電站一上雷達車，電站周圍的可用空間很小，維修或維護都發生困難，電站只要發生故障，就得將電站吊下雷達車，這肯定不能滿足雷達MTTR 指標要求，也不滿足雷達適配性要求。因此，電站設計、定型和生產時應考慮電站在雷達車上的維修模式。另外，電站采用模塊化設計，比如電站外罩考慮可快速拆卸等綜合因素的話，相信我們的電站維修性可大大改善和提高。

3 提高電站的電磁兼容性

電磁兼容性是指電站在其環境中能正常工作且不對其他設備構成不能承受的電磁干擾。該定義有三個含義:一是電站電站對外界的干擾有一定的承受能力，不失效;二是電站在工作中所產生的電磁干擾在一定限值內，對其它設備或系統不會造成有害影響;三是電站產生的電磁干擾和承受電磁干擾(抗干擾度)是可測的【1】。軍用電站標準GJB235A—97、GJB2815—97、GJB425—88 等在電磁兼容性方面只規定了電站產生的無線電干擾，包括傳導干擾和輻射干擾【6】(電站的干擾值應不大于表3、表4 的規定值)，但沒有規定CS101 電源線傳導敏感度;CS114 電纜束注入傳導敏感度;RS103 電場輻射敏感度要求。

表3 電站的傳導干擾允許值

表4 電站的輻射干擾允許值

電站研制時，在新電站適配性試驗中也發生過如:無故障停機;啟動液壓馬達時掉電;偶而發生電壓或轉速不穩，電力儀表上顯示出有波動不穩等現象。經過對轉速傳感器輸出引線改用屏蔽線;電子調速器輸出線改用屏蔽線;發電機輸出端加裝三相干擾抑制模塊;繼電器改用JQX 及JZC 型航天密封繼電器等措施后，這些問題就不再發生，電站工作穩定，充分說明對電站的電磁場及端子干擾敏感度嚴格要求是十分必要的。

雷達與電站在同一車上，現代雷達的負載特性十分復雜。在機場、靶場或作戰環境中，電磁環境的復雜性可想而知，因此雷達總體對電站的電磁兼容性提出更高的要求是很有必要的。

4 電站輸出電壓波形的正弦性要求

電站輸出電壓的波形應為無尖刺、無浪涌的正弦波，其正弦波的正弦畸變率計算公式為【3】:

式(4)中:U1為基波電壓有效值，U2、U3、U4、U5為各次諧波電壓有效值

電站三相線電壓的空載波形正弦性畸變率一般要求為δ≤5%，圖1 為某火控雷達電站空載時的電壓波形，其正弦性畸變率為4.2% 。圖2 為火控雷達電站負載時的電壓波形，其正弦性畸變率為13.5% 。

圖1 電站空載電壓波形

圖2 電站負載電壓波形

由以上的實際拍攝波形來看，因雷達的負載較復雜:有大量的開關電源、整流負載、電磁負載、固態大功率脈沖負載等，它們的特性都是非線性的，因此當各自負載中的多次高頻諧波電流進入電站的發電機中時，將造成發電機內的合成磁場發生正弦性畸變，進而導致發電機產生的電壓波形正弦性畸變率大增，這樣會出現兩方面的不良后果:

第1，發電機內的高次諧波(磁場、電流、電壓)使發電機發熱嚴重，發電機效率下降，可靠性降低，也直接影響自動電壓調節器的穩定工作。

第2，各次高次諧波電流在雷達系統內到處串擾，會給系統產生電磁干擾，影響雷達系統的可靠、穩定工作。

因此為了使電站的電壓波形與雷達的負載更匹配，電站配用的發電機應達到以下要求【6】:

a.電站輸出電壓波形正弦性畸變率δ 應符合新軍標GJB5785 的規定，由原δ≤5%降至δ≤3% 。

b.發電機上必須加裝R791 型三相干擾抑制模塊。

c.自動電壓調節模塊選用三相有效值測量的模塊。

d.發電機定子繞組采用分數槽，鐵芯改用斜槽，以削弱齒諧波，以改善發電機電壓波形的正弦度。

e.電站定型時應考核電壓波形正弦性畸變率是否適配雷達站。

5 電站的隱蔽性要求

由于野戰條件下軍用電站是現代武器裝備系統的唯一電源，也是對方偵察和打擊的重要目標，電站一旦被摧毀或失效，再先進的武器系統將陷于癱瘓狀態，無法發揮其作戰效能。因此除努力提高軍用電站的機動性、可靠性、維修性和環境適應性以外，電站的隱蔽性或隱身性也是未來軍用電站的一大必然要求。

隱身技術又稱隱形技術，是通過降低目標的信號特征，使其難以被發現、識別、跟蹤和攻擊的技術。就像雷達有跳頻等隱身、防干擾手段一樣，電站也要有自己的一套隱身辦法，以提高武器裝備的戰場生存能力。電站隱身技術主要概括為紅外隱身技術和聲波隱身技術。

5.1 電站的紅外隱身技術

當溫度高于絕對零度(即-273℃)時，任何物體均會向外發出紅外輻射，溫度越高，紅外輻射越強。軍用電站均以內燃機為動力，是強紅外輻射目標。紅外隱身技術的途徑是改變目標的紅外輻射特征;降低目標的紅外輻射強度;調節或調整紅外輻射傳播途徑。以增加敵方依靠軍用電站熱源為目標進行偵查、監視、定位的難度。

目前，紅外隱身技術有:在電站表面涂裝模擬植物和沙土背景染料;涂加低發射涂層;采用絕熱措施，降低電站表面溫度;采用熱效率高、熱損失小的發動機(如陶瓷發動機);改進發動機燃燒室結構，改善燃燒狀況，減少排氣中的紅外輻射成分等【1】。

5.2 電站的聲波隱身技術

聲波隱身技術又稱聲頻特征信號控制技術，就是控制目標的聲頻特征，降低聲波探測系統的探測概率。由于電站的噪聲主要來源于發動機的燃燒噪聲、空氣動力噪聲和機械噪聲，因此，實現吸音和阻尼材料、采用減震隔聲裝置;采用低噪聲發動機將是我們未來發展軍用隱形低噪音電站的有效途徑和方法。

6 結論

現代雷達對電站的新要求，是科學技術發展的必然，也是推動電站技術發展的動力。雷達電站的設計、制造和配套要密切關注新型雷達的各種要求，使電站更符合雷達系統的要求。

［1］石家莊軍械學院電站教研室編.國外軍用電站發展情況介紹.2009.

［2］蘇石川、劉炳霞.現代柴油發電機組的應用與管理［M］.化學工業出版社，2010.

［3］Fischer Panda(德國熊貓車載發電機組)［M］.2011.

［4］袁春、張壽珍.柴油發電機組［M］.人民郵電出版社，2003.

［5］謝天宇，項蒲根.野戰車輛電子設備電站選型要素［J］.移動電源與車輛，2014，1:48-50.

［6］國防科學技術工業委員會.GJB1488—92［S］，1993.

［7］葉水音.電機學［M］.中國電力出版社，2005.