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一种舰船低频电磁干扰的整改方法与试验研究

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-09-15 21:34 点击数:

  电磁兼容是研究在有限空间、有限时间、有限频谱资源条件下,各种用电系统设备能够正常工作,相互不受干扰。电磁干扰则是指任何能中断、阻碍、降低或限制电子、电气系统设备有效性能的电磁能量

  电子、电气系统设备受到强电干扰或系统内部的电磁影响,造成性能下降或不能工作的情况是电磁干扰最为常见的危害。电磁干扰对人类活动产生的三大危害为:1)破坏或者降低电子电气系统设备的工作性能;2)引起易燃易爆物品的起火、爆炸,带来巨大的经济损失和人员伤亡;3)对人体组织器官造成损害,影响人员的身体健康[2]。

  与其他平台相比,舰船的电磁环境有其特殊性。舰船内部空间有限,舱室内多种系统设备密集布置,管路走线复杂,电力线、信号线、控制线等线缆高密度、集群式走线,易产生电磁耦合而形成电磁干扰[3-4]。本文为解决声呐系统的低频电磁干扰故障,提出一种采用坡莫合金与波纹管相结合的电磁屏蔽整改方法,通过实验室内的屏蔽试验和舰船上的现场测试,证明该方法的有效性。

  对于电子电气系统设备,产生电磁干扰需要同时具备 3 条要素[2]:1)电磁干扰源,是指产生电磁干扰的元器件、设备、分系统、系统或者自然现象;2)耦合途径,分为传导耦合与辐射耦合,是指传播干扰能量的途径(或通道);3)敏感设备,亦称为被干扰设备,是指对电磁干扰产生响应的设备。

  由电磁干扰源产生的电磁能量,经过某种耦合途径传输到敏感设备,而导致其出现某一形式的响应并产生一定的干扰效果,这一作用过程及效果称为电磁干扰效应。所有的电磁干扰效应都是由电磁干扰三要素组成,且缺一不可,如图 1所示。

  传导类型的电磁干扰能量沿着导线以电流形式传播至敏感设备,辐射类型的电磁干扰能量以电磁波形式传播至敏感设备。舰船平台上常见的电磁干扰类型[2]如下:

  伴随雷电产生的电磁脉冲具有冲击电流大、持续时间短、放电次数多、电磁频带宽等特点,雷电周围感应出巨大的电磁场,在导体中形成较大的电动势和感应浪涌,此空间内的电子、电气设备若保护不当,会造成极大的破坏。

  继电器、点火装置等开关类装置在通、断的工作过程中,产生快速变化的电压和电流,这些尖峰电压和浪涌电流形成了干扰源;开关间隙越短,电磁干扰占有的频带越宽,含有的电流谐波越丰富,进而产生高频辐射。

  电荷积累到一定量的带电物体,与其他物体接近时,就会产生电晕放电或火花放电,形成静电放电干扰。大多数半导体器件易受静电放电而损坏,特别是大规模集成电路芯片更为脆弱。

  输电线产生的电磁辐射对通信线路、广播电视、人员安全产生的影响越来越受关注,一般分为两类:一是工频电磁干扰,输电线周围存在基波以及奇次谐波的低频磁场和电场的干扰;二是瞬态电磁干扰,输电线存在电晕放电和间隙击穿,电晕放电产生高频脉冲电流且辐射大量电磁波,间隙击穿伴有很高的辐射频谱,两者均会对周围电子设备产生影响。

  通信、雷达、导航等系统发射的强电磁波是重要的信息载体,但对于其他电子、电气系统设备而言,却是无用、有害的干扰源,且具有高频率、宽频带的特点,所以其他系统通过互感得到的感应电压和电流就相对较大,进而影响其他系统的正常工作。

  某型声呐在舰船改换装之后受到干扰而出现故障,声呐系统的测距、测向、精度以及目标跟踪能力等技术指标均受到一定程度的影响,进而导致该舰船的实际作战性能降低。通过现场勘验与电磁环境测试,并进行对比试验,得出此次声呐系统故障的原因是,某专用电源的电力线(供电电缆)耦合干扰了声呐系统的信号线,电磁干扰的耦合路径如图 2所示。

  在现场开展对比试验,分别在专用电源电力线断电与通电的情况下,让声呐系统开机工作,检查各项技术指标是否满足技术要求,验证声呐系统的主要技术性能;同时,在干涉处(见图 2)分别开展电磁环境测试,确认此次故障的干扰源、耦合路径以及干扰量级。在电力线断电与通电工况下,对比试验的低频磁场环境的测试结果如图 3所示。

  依据测试结果,干涉处的低频磁场值在电力线通电前后有明显异常,专用电源的电力线通电时,产生低频电磁干扰(低频磁场干扰),声呐系统的作战性能明显降低(如上文所述),频谱中干扰最大值在 3.3 kHz 频率,幅度约为 67 dBpT;当该专用电源断电时,声呐系统各项技术指标均恢复正常,干涉处 3.3 kHz 磁场幅度降低到 45 dBpT。

  根据电磁兼容数据库中以往的测试数据,在该舰船此次改换装之前,干涉处 3.3 kHz 频率磁场在最近一次测试值为 43 dBpT,声呐系统运行正常。因此,整改方法需要降低低频(1~8 kHz)电磁干扰,使得干涉处的低频磁场在 3.3 kHz 由 67 dBpT 降低至 43 dBpT,即目标为降低 24 dBpT。

  针对此次专用电源电力线耦合声呐信号线而产生的低频电磁干扰故障,依据电磁干扰三要素进行干扰机理分析,进而寻求干扰整改方法。干扰源为专用电源,敏感源为声呐系统设备,耦合形式为辐射耦合,耦合路径如图 2所示。

  由于专用电源需要保障舰船上某些设备用电,其电力线的用电功率不能降低,所以围绕干扰源的解决途径被排除;声呐系统在短期内不具备系统技术升级条件,且声呐设备的机柜与信号线均采取了良好的电磁屏蔽措施,故围绕敏感源的整改方法也被排除。因此,辐射耦合路径成为电磁干扰整改对象[5-7]。

  由于声呐系统信号线已具备良好的屏蔽性能,整改方法针对专用电源电力线进行实施。为了切断辐射耦合路径,将干扰源与敏感源进行隔离,进而降低专用电源电力线的强电磁信号对声呐信号线的耦合作用,采用如下的干扰整改方法:1)选择具有低频电磁屏蔽性能的特殊材料,2)进行电磁屏蔽试验,选择良好的屏蔽方式,3)现场进行细致施工,并调试材料的电磁屏蔽性能。

  根据电磁波的趋肤效应,电磁场在穿过屏蔽体时,吸收损耗随电磁波频率、屏蔽材料的电导率、磁导率及屏蔽体厚度的增加而增大,表达式如下:

  式中:A为吸收损耗,dB;t为屏蔽体厚度,mm;f为电磁场频率,Hz;μr为屏蔽体的相对磁导率;σr为相对电导率。常见金属的低频电磁屏蔽性能如表 1所示[8]。

  因此,不同材料的电导率对吸收损耗的贡献差异小于磁导率,对于低频电磁场的屏蔽,应采用高磁导率的铁磁材料,如冷轧钢板、坡莫合金等。同时,在选择屏蔽材料时还应考虑材料的机械强度、钢度以及防腐等因素。

  对于舰船上的干涉位置,现场空间十分狭小,待屏蔽电力线与船壳以及与旁边其他线 cm,可施工空间极度有限;而且钢板强度很大,不易弯曲变形,不利于施工。因此,放弃使用冷轧钢板材料。

  对于坡莫合金材质,其低频电磁屏蔽性能卓越,理论上仅需 0.05 mm 厚度的材料进行密封包覆,即可在 10 kHz 频率达到 20 dB 的屏蔽性能,适合用来屏蔽电力线。但是,存在的问题是,坡莫合金材质钢度较弱,在舰船上施工后容易发生非期望的变形等情况,影响其屏蔽性能。综合考虑材料的屏蔽性能与可施工性,采用可弯曲缠绕式的波纹管作为支撑,起到塑型作用,再在波纹管的外层包裹坡莫合金材料。

  经过市场调研,考虑材料的经济性和可实施性,选择 0.05 × 285(厚度 × 宽度)规格的坡莫合金材料作为低频磁屏蔽材料,65 mm 内径的波纹管作为支撑材料,在电磁兼容实验室进行对比试验,以验证其屏蔽性能,如图 4和图5所示。测试设备包含:信号源、音频功率放大器、电磁辐射环、电磁接收环、EMI 接收机等[9]。

  根据测试结果分析,整改方法获得的电磁屏蔽效能在 3.3 kHz 附近频段可达 25.6 dB。但由于现场的电磁环境比实验室复杂,根据舰船电磁兼容试验经验,需要留有 6 dB 的现场环境裕量,方可达到目标所需的屏蔽效果,即实际屏蔽性能只有 19.6 dB,小于目标值 24 dB(dBpT)。因此,整改方法需要进一步改进。

  订制屏蔽性能更优良的 0.2 × 250 规格的坡莫合金材料,按照上述的试验方案继续进行屏蔽试验验证,获得对比试验数据如表 3所示。

  根据测试结果分析,改进的整改方案在 3.3 kHz 频率的屏蔽效能达到 36.9 dB,在 6 kHz 频率达到 39.6 dB;减去 6 dB 的现场环境裕量,在 3.3 kHz 仍可获得 30.9 dB 的屏蔽效能,在 6.6 kHz 可获得 33.6 dB 的屏蔽效能,满足预期的目标,用该整改方案进行实施。因此,在舰船现场针对电力线实施电磁屏蔽整改方法,如图 6所示。整改后进行低频磁场环境测试,结果如图 7所示。

  根据测试结果:采用改进后的试验整改方法,干涉处的低频磁场值在 3.3 kHz 频率由 67 dBpT 降低至 40 dBpT,降低了 27 dBpT;在 6.6 kHz 频率由 57 dBpT 降低至 33 dBpT,降低了 24 dBpT。在专用电源的电力线通电时,干涉处的低频磁场恢复到故障以前水平,整改结果满足目标要求,声呐系统的作战性能未出现异常,各项技术指标均恢复正常。

  基于电磁干扰三要素中的辐射耦合路径,本文提出一种采用坡莫合金材料与波纹管相结合的低频磁场干扰整改方法。通过电磁屏蔽试验以及试验改进,验证了整改方法的可行性。在舰船现场实施整改方法后,进行了低频电磁环境测试,测试结果证明了本文电磁干扰整改方法的有效性,解决了声呐系统的低频电磁干扰故障。


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