外加電流補償方法靜電場抑制效果研究

郭 昕，鄭攀峰，耿 攀，余定峰，楊文鐵，楊 帥，周 彤

應(yīng)用研究

外加電流補償方法靜電場抑制效果研究

郭 昕1，鄭攀峰2，耿 攀2，余定峰2，楊文鐵2，楊 帥2，周 彤2

（1. 中國艦船研究院，武漢 430000；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430205）

在深入研究外加電流補償方法基礎(chǔ)上，分析了補償陽極位置、補償陽極輸出電流對靜電場抑制效果的影響，結(jié)合船模試驗驗證了分析結(jié)論。試驗結(jié)果表明，補償陽極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補償電流對靜電場的抑制效果；補償陽極輸出電流增加到一定程度時，靜電場抑制效果最佳。

艦船 靜電場 外加電流補償 陽極

0 引言

艦船船體材質(zhì)為鋼合金或鋁合金，而螺旋槳葉材質(zhì)一般為銅合金，船體與螺旋槳存在電連接，因而在海水電解質(zhì)中會形成電偶回路，并產(chǎn)生腐蝕電流，形成腐蝕電場。進一步地，腐蝕相關(guān)電場可以分為靜電場、軸頻電場和工頻電場等。艦船腐蝕相關(guān)靜電場是其重要的目標特性，是艦船的暴露源和水中兵器的被動信號源[1~3]。靜電場在海水中的強度可達mV/m的量級，易被水中引信武器攻擊，還可以被水下探測武器遠距離探測和定位[4,5]。為了抑制艦船靜電場，目前采取的主要方法包括陰極保護優(yōu)化設(shè)計、電場隔離結(jié)構(gòu)工藝以及外加電流補償?shù)萚6,7]。

本文在研究外加電場補償方法的基礎(chǔ)上，詳細分析了補償陽極位置、補償陽極輸出電流對靜電場抑制效果的影響，并利用船模試驗驗證了分析結(jié)論的有效性。

1 基于外加電流補償?shù)撵o電場抑制方法

外加電流補償方法的基本原理如圖1所示。由于船體大部分位置會采取油漆、非金屬覆蓋等方式進行防護，腐蝕電流集中從沒有進行防護或防護失效的暴露點流向螺旋槳。外加電流補償方法在船體靠近螺旋槳位置布置補償陽極，通過補償陽極輸出與自然腐蝕電流方向相反的電流，以達到靜電場抑制的目的。

圖1 外加電流補償原理

艦船靜電場的理論分析模型主要是等效電偶極子理論[8~10]，即在較遠處可視艦船靜電場源是由相互距離一定的兩個正、負電荷，且一般認為負電位位置在螺旋槳位置處。等效電偶極子理論中直接表征靜電場大小的特征量為等效電偶極矩，其定義為等效正負電荷之間的電流大小與距離Δ的乘積，即=·Δ。

外加電流補償方法就是通過減小靜電場等效極矩，以達到減小靜電場的目的。

2 外加電流靜電場補償效果影響分析

由于船體暴露點眾多，本次分析可以將所有船體暴露點等效于船體上某一處，根據(jù)上述等效電偶極子理論，負電位位置在螺旋槳位置處，正電荷位置應(yīng)在等效暴露點處。等效電偶極矩分析示意如圖2所示。

圖2 電偶極矩分析示意圖

0為艦船自然腐蝕時的原始電偶極矩，1為外加電流補償后的艦船電偶極矩，應(yīng)有：

其中：F0為自然腐蝕時的船體流向螺旋槳的電流大小。Δ0為等效暴露點與螺旋槳之間的距離。F1為外加電流補償時的船體流向螺旋槳的電流大小。B1為補償陽極流向螺旋槳的電流大小。B2為補償陽極流向等效暴露點的電流大小。Δ1為補償陽極與螺旋槳之間的距離。Δ2為補償陽極與等效暴露點的距離。

無論是否開啟外加電流補償，螺旋槳浸泡在海水中的面積，以及其表面電流交換密度均維持不變，因此兩種工況下螺旋槳處得到的電流大小應(yīng)保持不變，即：

又易得出補償陽極總輸出電流B0有：

且：

綜合式（1）～（5），可得出補償電流輸出前后的電偶極矩變化為：

由式（6）可知，外加電流補償效果取決于補償輸出電流的大小以及補償陽極的位置。

進一步分析可以得出如圖3所示結(jié)論：1）當補償陽極位置位于螺旋槳與等效暴露點之間時，即Δ2＞0時，通過增大補償輸出電流B0，可以減小等效電偶極矩，從而減小靜電場；2）補償輸出電流大小等于0Δ2時，靜電場補償效果達到最佳，繼續(xù)增大補償電流大小會使得靜電場繼續(xù)增大甚至超過原始值；3）當補償陽極位置比等效暴露點更遠離螺旋槳時，即Δ2＜0時，增大補償輸出電流反而會直接增大等效電偶極矩，不能達到抑制靜電場的效果。

3 船模試驗

為了驗證外加電流靜電補償效果的影響分析結(jié)果，進行了1：40等比例縮比船模試驗，試驗示意如圖4所示。

圖4 船模試驗示意圖

在船模殼體表面距離螺旋槳不同距離處，貼裝3對補償陽極（左右舷對稱），其中陽極1距螺旋槳最近，陽極3距螺旋槳最遠，陽極2居中。補償電源分別通過其中任一對陽極輸出補償電流，通過電場測量系統(tǒng)測量并記錄船模通過特性曲線。調(diào)節(jié)補償電流大小在0~25 mA之間變化，得到靜電場峰峰值與補償電流大小的關(guān)系。

由試驗結(jié)果可知，當補償陽極位置靠近螺旋槳時，如圖5（a）所示，增大補償電流大小，靜電場峰峰值先減小后增大，補償電流約6 mA時，靜電場補償效果最佳，靜電場峰峰值減小約51%。當補償樣機位置漸漸遠離螺旋槳，如圖5（b）、（c）所示，增大補償電流大小，靜電場峰峰值也相應(yīng)增大，沒有達到靜電場抑制的效果。船模試驗結(jié)果與第2節(jié)的分析結(jié)論基本吻合。

圖5 靜電場峰峰值與補償電流大小的關(guān)系

4 結(jié)論

本文在對外加電流補償?shù)撵o電場抑制方法深入研究的基礎(chǔ)上，分析了補償陽極位置、補償輸出電流大小對靜電場補償效果的影響。補償陽極位置應(yīng)盡量靠近螺旋槳，才能保證補償電流對靜電場的抑制效果。補償電流大小一定時，能夠達到最佳的靜電場抑制效果。設(shè)計并完成了縮比船模試驗，試驗結(jié)果和分析結(jié)論基本吻合。下一步的研究重點是外加補償電流大小與腐蝕電流大小對應(yīng)關(guān)系。

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Study on the Effect of Static Electric Field Reduction with Impressed Current Compensation

Guo Xin1, Zheng Panfeng2, Geng Pan2, Yu Dingfeng2, Yang Wentie2, Yang Shuai2, Zhou Tong2

(1. China Ship Research and Development Academy, Wuhan 430000, China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

U674.7

A

1003-4862（2021）04-0043-03

2020-09-27

郭昕（1987-），男，碩士。研究方向：艦船電磁場應(yīng)用與防護。E-mail: wdmzshq@outlook.com