外加电流补偿方法静电场抑制效果研究

郭 昕，郑攀峰，耿 攀，余定峰，杨文铁，杨 帅，周 彤

应用研究

外加电流补偿方法静电场抑制效果研究

郭 昕1，郑攀峰2，耿 攀2，余定峰2，杨文铁2，杨 帅2，周 彤2

（1. 中国舰船研究院，武汉 430000；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430205）

在深入研究外加电流补偿方法基础上，分析了补偿阳极位置、补偿阳极输出电流对静电场抑制效果的影响，结合船模试验验证了分析结论。试验结果表明，补偿阳极位置应尽量靠近螺旋桨，才能保证补偿电流对静电场的抑制效果；补偿阳极输出电流增加到一定程度时，静电场抑制效果最佳。

舰船 静电场 外加电流补偿 阳极

0 引言

舰船船体材质为钢合金或铝合金，而螺旋桨叶材质一般为铜合金，船体与螺旋桨存在电连接，因而在海水电解质中会形成电偶回路，并产生腐蚀电流，形成腐蚀电场。进一步地，腐蚀相关电场可以分为静电场、轴频电场和工频电场等。舰船腐蚀相关静电场是其重要的目标特性，是舰船的暴露源和水中兵器的被动信号源[1~3]。静电场在海水中的强度可达mV/m的量级，易被水中引信武器攻击，还可以被水下探测武器远距离探测和定位[4,5]。为了抑制舰船静电场，目前采取的主要方法包括阴极保护优化设计、电场隔离结构工艺以及外加电流补偿等[6,7]。

本文在研究外加电场补偿方法的基础上，详细分析了补偿阳极位置、补偿阳极输出电流对静电场抑制效果的影响，并利用船模试验验证了分析结论的有效性。

1 基于外加电流补偿的静电场抑制方法

外加电流补偿方法的基本原理如图1所示。由于船体大部分位置会采取油漆、非金属覆盖等方式进行防护，腐蚀电流集中从没有进行防护或防护失效的暴露点流向螺旋桨。外加电流补偿方法在船体靠近螺旋桨位置布置补偿阳极，通过补偿阳极输出与自然腐蚀电流方向相反的电流，以达到静电场抑制的目的。

图1 外加电流补偿原理

舰船静电场的理论分析模型主要是等效电偶极子理论[8~10]，即在较远处可视舰船静电场源是由相互距离一定的两个正、负电荷，且一般认为负电位位置在螺旋桨位置处。等效电偶极子理论中直接表征静电场大小的特征量为等效电偶极矩，其定义为等效正负电荷之间的电流大小与距离Δ的乘积，即=·Δ。

外加电流补偿方法就是通过减小静电场等效极矩，以达到减小静电场的目的。

2 外加电流静电场补偿效果影响分析

由于船体暴露点众多，本次分析可以将所有船体暴露点等效于船体上某一处，根据上述等效电偶极子理论，负电位位置在螺旋桨位置处，正电荷位置应在等效暴露点处。等效电偶极矩分析示意如图2所示。

图2 电偶极矩分析示意图

0为舰船自然腐蚀时的原始电偶极矩，1为外加电流补偿后的舰船电偶极矩，应有：

其中：F0为自然腐蚀时的船体流向螺旋桨的电流大小。Δ0为等效暴露点与螺旋桨之间的距离。F1为外加电流补偿时的船体流向螺旋桨的电流大小。B1为补偿阳极流向螺旋桨的电流大小。B2为补偿阳极流向等效暴露点的电流大小。Δ1为补偿阳极与螺旋桨之间的距离。Δ2为补偿阳极与等效暴露点的距离。

无论是否开启外加电流补偿，螺旋桨浸泡在海水中的面积，以及其表面电流交换密度均维持不变，因此两种工况下螺旋桨处得到的电流大小应保持不变，即：

又易得出补偿阳极总输出电流B0有：

且：

综合式（1）～（5），可得出补偿电流输出前后的电偶极矩变化为：

由式（6）可知，外加电流补偿效果取决于补偿输出电流的大小以及补偿阳极的位置。

进一步分析可以得出如图3所示结论：1）当补偿阳极位置位于螺旋桨与等效暴露点之间时，即Δ2＞0时，通过增大补偿输出电流B0，可以减小等效电偶极矩，从而减小静电场；2）补偿输出电流大小等于0Δ2时，静电场补偿效果达到最佳，继续增大补偿电流大小会使得静电场继续增大甚至超过原始值；3）当补偿阳极位置比等效暴露点更远离螺旋桨时，即Δ2＜0时，增大补偿输出电流反而会直接增大等效电偶极矩，不能达到抑制静电场的效果。

3 船模试验

为了验证外加电流静电补偿效果的影响分析结果，进行了1：40等比例缩比船模试验，试验示意如图4所示。

图4 船模试验示意图

在船模壳体表面距离螺旋桨不同距离处，贴装3对补偿阳极（左右舷对称），其中阳极1距螺旋桨最近，阳极3距螺旋桨最远，阳极2居中。补偿电源分别通过其中任一对阳极输出补偿电流，通过电场测量系统测量并记录船模通过特性曲线。调节补偿电流大小在0~25 mA之间变化，得到静电场峰峰值与补偿电流大小的关系。

由试验结果可知，当补偿阳极位置靠近螺旋桨时，如图5（a）所示，增大补偿电流大小，静电场峰峰值先减小后增大，补偿电流约6 mA时，静电场补偿效果最佳，静电场峰峰值减小约51%。当补偿样机位置渐渐远离螺旋桨，如图5（b）、（c）所示，增大补偿电流大小，静电场峰峰值也相应增大，没有达到静电场抑制的效果。船模试验结果与第2节的分析结论基本吻合。

图5 静电场峰峰值与补偿电流大小的关系

4 结论

本文在对外加电流补偿的静电场抑制方法深入研究的基础上，分析了补偿阳极位置、补偿输出电流大小对静电场补偿效果的影响。补偿阳极位置应尽量靠近螺旋桨，才能保证补偿电流对静电场的抑制效果。补偿电流大小一定时，能够达到最佳的静电场抑制效果。设计并完成了缩比船模试验，试验结果和分析结论基本吻合。下一步的研究重点是外加补偿电流大小与腐蚀电流大小对应关系。

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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，硕士。研究方向：舰船电磁场应用与防护。E-mail: wdmzshq@outlook.com