自動化集裝箱碼頭電纜電磁場對IGV磁釘的干擾控制

柴治國，崔政偉，謝 皓

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

1 工程概況

本工程為全自動化集裝箱碼頭，碼頭及堆場區水平運輸采用智能導引運輸車(intelligent guided vehicle，IGV)，IGV無人駕駛磁釘導航方式是通過磁導航傳感器檢測磁釘的磁信號實現IGV的定位[1]，磁釘導航邏輯是將連續感應變成間歇式感應，磁釘之間處于一種較為精確的定位狀態，依靠編碼器等里程計量傳感器計算位置，依靠陀螺等角度傳感器確定方向角，最后得到IGV的位姿信息實現無人駕駛。但磁釘也存在一些缺點，由于磁信號的穩定性對于實現定位至關重要，所以在這樣的場所中不能有磁場的干擾，在IGV運行的路徑上應盡量減少有消磁影響的設備。本工程在設計時，為防止外部金屬對磁釘的干擾，在磁釘埋設周邊不能有金屬[2]，堆場面層已考慮在200 mm范圍內不敷設鋼筋，同時磁釘布置在IGV行駛區已盡量避開電纜溝、電纜井等敷設電纜的區域，但局部仍無法避免電纜敷設區域，如圖1所示。

圖1 磁釘及管線分布

由圖1可知，在A區域內磁釘布置在電纜隧道正上方，電纜隧道內敷設有10 kV高壓電纜、380 V低壓電纜和通信電纜等，此區域對磁釘的干擾較為嚴重，是磁釘磁場的一個薄弱區；B區域內磁釘布置在電纜埋管上方，管道內敷設有10 kV高壓電纜、380 V低壓電纜和通信電纜。本工程高壓電纜為碼頭岸橋、堆場軌道吊供電電纜，碼頭岸橋、堆場軌道吊為間歇性工作設備，電纜電流變化快且無規律性，形成的電磁場復雜，對磁釘干擾較為嚴重。針對以上2個區域，根據工程經驗以及建模仿真分析提出切實有效的措施對載流電纜磁場干擾進行控制。

2 原因分析及控制

2.1 電纜磁場產生的原因分析

鎧裝電力電纜的物理結構從內到外分別為銅導體、導體屏蔽層、金屬屏蔽層、絕緣屏蔽層、絕緣層、鎧裝、外護套等[3]。電纜或線圈通入交變電流后，因為有了電荷(電荷定向移動形成電流)，從而產生交變電場。當線圈中存在交變電流時會產生磁場，同時在空間中變化的磁場又會產生電場，所以電磁場是相輔相成、相互影響的[4]。載流電力電纜的電磁場輻射是工程或日常生活中常見的電磁輻射。

載流線圈磁場分布見圖2，根據畢奧-薩伐爾定律，載流回路的任一電流元Idl，在空間的任意點P處所產生的磁感應強度為：

圖2 載流線圈磁場分布

(1)

式中：r0為指向場點P的單位矢量；r為Idl與場點P之間的距離；μ0為真空磁導率；電流元Idl的方向與電流方向相同。

把多條不同的載流電纜或導線所產生的磁場看作是很多電流元產生的磁場疊加，可以得出多條載流電纜產生的磁感應強度：

(2)

2.2 抗電磁干擾常用措施

2.2.1利用屏蔽技術減少電磁干擾

1)動力電纜采用屏蔽電纜，可以有效抑制電磁波的輻射；控制電纜、模擬信號線纜最好使用金屬材料屏蔽層的屏蔽電纜或者采用屏蔽類的光纜；同時在實施過程中屏蔽層均應做可靠接地。

2)采用屏蔽金屬板(網格)，金屬板對電磁場傳播的影響見圖3?？梢钥闯?，電磁波Ho由金屬板(厚度為t)的左側向右側傳播，因空氣傳播介質與金屬板傳播介質性質不同，在電磁波傳播至左側金屬板時會反射折回，未被反射回的電磁波Hmo繼續入射至金屬板內部，電磁波Hmo在金屬板內部經過介質吸收衰減為Hmt，同時有部分電磁波Hmr經過金屬板右側壁反射折回，電磁波Hmt經過金屬板右側壁折射衰減，穿透金屬板最終衰減為Ht。

圖3 金屬板(網格)對電磁傳播的影響

根據金屬板的屏蔽工作原理，可分為表面反射損減R(dB)、吸收損耗A(dB)及金屬板內部多次反射損耗B(dB)3個部分，即金屬板的屏蔽效果S可表示為：

S=A+R+B

(3)

其中：

(4)

R=168.2+10lg[σ/(fμ)]

(5)

式中：t為屏蔽厚度(cm)；μ為金屬材料相對于空氣的磁導率；f為電磁波頻率(Hz)；σ為金屬材料相對于銅的導電率。

根據式(5)可以看出，R與金屬的導電性成正相關函數關系，與金屬的導磁性成負相關函數關系，與金屬板的厚度無關。另外，B(dB)與A成正相關函數關系。

2.2.2利用接地技術消除電磁干擾

沿電纜敷設方向設置接地線，電纜鎧裝鋼絲或鋼帶做良好接地；如果電纜線路帶有變頻設備，與變頻設備相關的線纜、控制設備等，其接地均應可靠連接且共地。

2.2.3利用布線技術降低電磁干擾

根據式(1)，某點的磁感應強度與載流電流的距離成反比，故距離載流電纜越遠，磁感應強度越弱。對長距離電纜進行合理布線，干擾較強的線纜遠離被保護設備，同時控制電纜和電源電纜交叉時應盡可能使它們垂直交叉，并且加強交叉處的屏蔽層固定設置，加大控制電纜和電源電纜之間的物理距離。

2.2.4利用濾波技術降低電磁干擾

濾波器主要由電容器、電感等元器件組成，工作原理為允許固定帶寬頻率通過，對其他帶寬的頻率加以抑制，進而抑制線路上電磁干擾，工程上常用的濾波器有低通、高通、帶通、帶阻等濾波器[5]。

2.2.5利用磁環材料抑制干擾

目前工程常用的磁環材料包括鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體等。鎳鋅鐵氧體可以抑制高頻干擾，錳鋅鐵氧體可以抑制低頻干擾，在工程中可根據高頻或低頻信號選擇合適的磁環材料。在同一束電纜上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，可以抑制的干擾源頻段較寬。

3 消除電磁干擾的控制設計

3.1 A區域控制電磁干擾措施

3.1.1合理布線

電纜隧道內敷設有軌道吊供電高壓電纜、照明電纜、維修箱低壓電纜等。其中照明及維修箱為常規設備，電纜為其提供持續穩定電流，產生的磁場較為穩定。高壓電纜為軌道吊供電電纜，為間歇性工作設備，電機啟動電流大、電流變化快且無規律性，形成的電磁場復雜，產生的磁場多變。結合此現象，并根據距離越遠磁場越弱的原則，電纜隧道內電纜布置原則為：低壓電纜在最上層、高壓電纜在中間層、光纜布置在最下層。

為驗證載流電纜布線不同位置產生的磁場情況，采用通用有限元仿真軟件 ANSYS 進行磁場模擬，建立電纜隧道內電磁場仿真模型確定10 kV電纜磁場強度與距離的關系。在電纜隧道內電磁場仿真研究中，電纜的結構、電纜在電纜隧道的空間位置、供電電壓等級和流過電纜的電流大小是非常重要的因素[6]。電纜隧道斷面如圖4所示，寬度1.6 m，深度1.9 m，隧道蓋板厚度350 mm。電纜隧道內含有380 kV電力電纜16回，截面積為960 mm2，電流300 A；含有10 kV電力電纜32回，截面積為285 mm2，電流55 A。

圖4 電纜隧道斷面(單位：mm)

在仿真軟件 ANSYS輸入相關參數，如電纜支架所用的Q235 鋼材為磁性材料，相對磁導率取1 900，電纜隧道為鋼筋混凝土結構，鋼筋的相對磁導率取 700。通過仿真，得出在隧道底部中心豎直向上至隧道頂部地面的磁場分布曲線如圖5所示?？梢钥闯?，磁場B呈現出先增大后減小的趨勢，磁場最強的位置電纜隧道中間位置，越往頂部磁場強度越小。

圖5 隧道磁場分布

3.1.2采用屏蔽措施

A區域電纜隧道為鋼筋混凝土結構，內部鋼筋形成方形鋼筋網格，此鋼筋網格可以起到良好的電磁屏蔽效果，不僅可以屏蔽外部信號干擾內部，也可以屏蔽內部信號干擾外部。為形成完全獨立的封閉結構，在安裝磁釘的14 m長電纜隧道做伸縮縫，與通長段電纜溝做隔斷，形成獨立接地結構，處理措施如圖6所示。

圖6 電纜隧道布置斷面(單位：mm)

3.2 B區域控制電磁干擾措施

3.2.1增大距離

電纜管道內敷設有岸橋供電高壓電纜、船舶岸電低壓電纜等。其中船舶岸電為常規設備，供電電流為持續穩定電流，產生的磁場相對穩定。高壓電纜為岸橋供電電纜，岸橋為間歇性工作設備，電機啟動電流大，電流變化快且無規律性，形成的電磁場復雜多變。結合此現狀，本工程設置B區域管道布置電纜原則為：低壓電纜在上層、高壓電纜在最下層。

另根據仿真的結果及式(1)的結論，為降低10 kV電纜磁場對路面磁釘的影響，增大10 kV電纜管道埋深，普通埋管深度為0.7 m，此處加深埋管至1.1 m，如圖7所示。

圖7 B區域埋管接地(單位：mm)

3.2.2采用屏蔽措施

普通預埋管采用素混凝土包封，內無配筋。為形成屏蔽效果，在混凝土包封中增加配筋，形成封閉鋼筋籠將管道包封，且兩端接地。同時在管道上方增加不銹鋼筋網片，對下方的電纜形成覆蓋，并進行接地處理，如圖7所示。

4 結論

1)電纜線路布置遵循避免與磁釘長距離平行敷設的原則。

2)電纜線路與磁釘交叉處，合理布線，增大磁釘與電纜線路距離，弱化磁釘處載流電纜電磁場分布。

3)上方布置有磁釘的電纜隧道采用獨立分縫，結構鋼筋全部貫通并接地，實現對載流電纜電磁場屏蔽。

4)上方布置有磁釘的電纜管道，采用鋼筋混凝土包封結構，結構鋼筋全部貫通并接地，同時管道上方通長布置304不銹鋼網格，實現對載流電纜電磁場屏蔽。