船舶雷電防護技術(shù)研究

王 鵬，高金閣，王蕙瑩，王 浩，梁 倩，封雅瓊(．濰坊市氣象局，山東 濰坊 60；．北京市氣象局，北京 00089；．國家氣象信息中心，北京 0008；．北京市避雷裝置安全監(jiān)測中心，北京 00089)

船舶雷電防護技術(shù)研究

王 鵬1，高金閣2，王蕙瑩3，王 浩4，梁 倩1，封雅瓊1
(1．濰坊市氣象局，山東 濰坊 261011；2．北京市氣象局，北京 100089；3．國家氣象信息中心，北京 100081；4．北京市避雷裝置安全監(jiān)測中心，北京 100089)

摘要：為了能夠科學(xué)合理地為大型復(fù)雜的船體進行雷電防護設(shè)計，文章依據(jù)雷電形成的過程及特點，分析總結(jié)船舶遭受雷電危害可能存在兩方面的原因：一種是船舶直接接閃雷電流；另一方面是雷電沒有直接擊中船舶，而是雷擊電磁脈沖對船舶造成的間接影響。最后文章從船舶本身的特殊性出發(fā)，提出安裝接閃器、引下線和泄流裝置的方法防止雷電對船舶造成的直接危害，提出采取等電位連接、屏蔽、接地和安裝電涌保護器的方法減少船舶遭受雷電的間接影響，并考慮船舶所處工作大環(huán)境提出防護建議。只有合理地采用各種防護措施才能最大限度地避免船舶遭受雷電干擾。

關(guān)鍵詞：船舶；雷電防護；電磁脈沖；接閃器

引言

雷電災(zāi)害已經(jīng)被聯(lián)合國列為最嚴重的十種自然災(zāi)害之一，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和現(xiàn)代化水平的提高，雷電災(zāi)害的威脅程度及其造成的損失及社會影響越來越大。目前，建筑行業(yè)[1-2]、電力行業(yè)[3]以及通信行業(yè)[4]等都對雷電的防護非常重視，然而，對于船舶的雷電防護資料及措施卻很少。

相對于平坦的海面而言，航行在水面上的船舶無疑成為海面上的突出物，因此船舶受到雷擊的可能性非常大。1988年6月，某海運局的一艘游輪在大連碼頭被雷電擊中，裝在船尾的一個全方位有源電視天線被擊落在甲板上，天線上八根金屬振子全部被擊散。同時，裝在室內(nèi)的電視信號放大器和衛(wèi)星導(dǎo)航儀中的線路板也被雷電損壞[5]。1991年Thomson對71起船舶遭雷擊事件進行分析，結(jié)果表明，遭受雷擊的所有船舶中有96%出現(xiàn)電子設(shè)備的損壞，67%出現(xiàn)明顯的船體損壞[6]。以上事例表明，由于船舶本身的特點以及所處的特殊環(huán)境導(dǎo)致船舶仍然很容易遭到雷電襲擊。因此，進一步認識雷擊事故對船舶造成的危害并做好預(yù)防是保障航行安全的重要工作。

1 船舶遭受雷電危害的原因

有觀點認為海上的船舶與海水有充分的接觸，海水會將擊中船舶的雷電流泄放入海，所以即使海上航行的船舶被雷電擊中，也不會對人身財產(chǎn)造成危害。其實，如果只考慮直擊雷擊中船體的情況，上述觀點尚且可以認為是對的，但是，雷電對船舶造成的威脅不單只有擊中船體的情況，一旦雷電擊中船上的電視天線、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)或電氣控制系統(tǒng)等設(shè)備，或是雷電感應(yīng)對抗干擾能力較低的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，都會對船舶的安全航行構(gòu)成嚴重威脅。所以，文中講述的船舶雷電防護不單是針對船體本身的保護，還包括船上所有電子設(shè)備、通信系統(tǒng)等的全方位保護。

1.1 直擊雷的危害

直擊雷是指帶電雷云與地表面上某一點之間發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象。航行在海面上的船舶是海上的尖端，根據(jù)尖端放電理論可以知道，在雷電放電發(fā)生過程中這些船舶會起到引雷的作用。直擊雷的電流峰值可以高達幾萬～幾十萬安培，如此強大的雷電流通過被擊中的物體時會產(chǎn)生大量的熱量。根據(jù)焦耳定律可以得到一次閃擊的雷電流產(chǎn)熱量為[7]：

其中Q是一次雷電的產(chǎn)熱量（J）；R是雷電流通道的電阻（Ω）；i是雷電流的大?。ˋ），t是一次雷電持續(xù)的時間（s）。在忽略散熱的影響時，可以計算得到雷電流通路上由雷電流引起的溫升（ΔT）：

其中ΔT是溫度升高量（K）；m是雷電流通道物體的質(zhì)量（kg）；c是形成通道物質(zhì)的比熱容（J·kg-1·K-1）。通過公式（1）和（2）可以證明在一次雷電過程中，通道溫度能提升至6000～10000℃，甚至更高。如果船舶上的金屬體截面積不夠大，那么就有可能導(dǎo)致金屬熔化；如果雷電流遇到易燃物質(zhì)就可能引起火災(zāi)。

雷電流沿導(dǎo)體傳播時有可能出現(xiàn)反擊現(xiàn)象，即遭受雷擊的金屬物體與其附近的其他物體發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，這也會對船舶上的物品造成威脅。

1.2 閃電感應(yīng)的危害

另外，閃電靜電感應(yīng)也是導(dǎo)致雷擊災(zāi)害事故的重要原因之一。閃電靜電感應(yīng)是指當(dāng)雷云來臨時船舶上的導(dǎo)體會產(chǎn)生大量與雷電極性相反的束縛電荷，當(dāng)雷云放電后這些束縛電荷就變成自由電荷，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種過電壓往往會造成船舶上的導(dǎo)線、大型金屬設(shè)備以及與船體連接不良的金屬導(dǎo)體放電而引起電火花，進而造成供電通信系統(tǒng)損壞，甚至火災(zāi)、爆炸等危及人身安全的嚴重事故。

1.3 雷擊電磁脈沖的危害

最后一種情況是由于雷電放電產(chǎn)生電磁感應(yīng)進而產(chǎn)生感應(yīng)電壓造成的，其原理如圖1所示。

圖1　電磁感應(yīng)原理圖

由于雷電流有極大的峰值和陡度，在它周圍的空間會產(chǎn)生強大的變化電磁場，變化的電磁場會對處在其中的導(dǎo)體產(chǎn)生較大的電動勢，這個電勢足以使存在開口的金屬環(huán)氣隙（a，b間）放電，放電產(chǎn)生的火花可能引起易燃物品起火或爆炸。當(dāng)雷電沒有直接擊中船體而是擊打在附近海面時，強大的電磁場可能耦合到船上的電纜線上，感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢或電流可能擊穿船上的配電箱或電子設(shè)備，造成電線短路起火。據(jù)統(tǒng)計，雷電對微電子設(shè)備和計算機網(wǎng)絡(luò)造成的破壞有80%左右是由于閃電感應(yīng)引起的。

2 船舶雷電防護措施

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶的通信、導(dǎo)航和電氣控制等自控系統(tǒng)中大量使用電子信息設(shè)備和精密儀器設(shè)施，其耐壓、過流能力脆弱，一旦這些設(shè)備因雷擊造成損壞會對船舶安全航行造成極大隱患。所以，為了避免雷電對船舶產(chǎn)生威脅，必須采用外部防雷和內(nèi)部防雷相結(jié)合的綜合防護措施。

2.1 外部防雷

船舶的外部防雷，就是應(yīng)用防直擊雷裝置（接閃器、引下線和泄流裝置）吸引雷電擊中自身并將雷電流盡快暢通地泄放到海水中。由于船舶相對海平面而言具有突出的特點，而固定在船體的桅桿通常是整個船的至高點，所以可以利用桅桿上的永久性金屬物作為外部防雷的接閃器，桿體內(nèi)鋼筋作為泄放電流的引下線，但是，必須保證桅桿底部與金屬船體有良好的焊接或壓接，這樣就可以利用與海水大面積接觸的船體作為泄流裝置。

然而每一個接閃器都只能保護一定的區(qū)域，因此，只依靠船舶上的桅桿是不可能保護整艘船的，所以還需要在船舶的其它地方架設(shè)接閃器。根據(jù)現(xiàn)代船舶的通信設(shè)施放置在船尾建筑上的特點，可以在這些建筑物面向海洋的兩個方向上加設(shè)接閃器。雖然船頭一般沒有各類設(shè)施，但是人員走動及物品堆放相對集中，這些船載物一般會高出船周圍的圍欄，所以應(yīng)該在船頭設(shè)立接閃桿加強對船頭物品及人員的保護。值得注意的是，所有的接閃器下部都必須通過金屬導(dǎo)體與船體本身進行良好的接觸，以保證為雷電流提供暢通無阻的泄放通道。

上述接閃器的高度可以根據(jù)需要保護的范圍進行計算得到，比較準(zhǔn)確的一種計算方法是滾球法，該方法的計算公式為[8]：

其中R是雷擊距離，即滾球半徑，IP是雷電流峰值，r是地面保護半徑，h是接閃器高度，rx是高度為hx平面上的保護半徑。由公式（3）～（5）可以計算得到接閃器的保護外邊界。接閃器架設(shè)的數(shù)量要根據(jù)所有接閃器保護外邊界可以將整艘船舶籠罩的原則進行確定。

在整艘船舶已經(jīng)處于接閃器保護的情況下，一些船載設(shè)備或危險物品要放置在離接閃器引下線安全距離之外的地方，否則當(dāng)雷電擊中接閃器之后，強大的雷電流通過引下線泄放入海的同時可能會產(chǎn)生雷電反擊，從而對船載設(shè)備造成損壞或引起引下線周圍物體的燃燒甚至爆炸。所以確定接閃器的保護內(nèi)邊界也至關(guān)重要[9]。

接閃器在被雷電擊中之后，引下線上任意高度hm處的電位是電阻壓降和電感壓降之和[9]，即：

其中Rm是接閃器接地裝置的沖擊電阻，L是接閃器引下線的單位長度的電感，是雷電流陡度。根據(jù)雷電反擊原理可以得到被保護物與接閃器引下線之間的距離d要滿足[9]：

其中ER和EL分別是電阻和電感電壓降的空氣擊穿強度。通過公式(3)～(7)就能夠得到如圖2所示的經(jīng)過修正的接閃器保護范圍。

圖2　經(jīng)過修正的接閃器保護范圍

在船頭或船尾建筑物上架設(shè)傳統(tǒng)接閃器可能會影響整艘船舶的美觀，可以用架設(shè)照明燈燈桿的方法替代傳統(tǒng)接閃器，達到既可以防護直擊雷又不會影響船舶美觀的目的。

2.2 內(nèi)部防雷

雷擊電磁脈沖引起強烈變化的輻射電磁場會對船載設(shè)備造成干擾或損壞，這也是船舶內(nèi)部防雷的重點。其主要措施包括等電位連接、屏蔽、接地和安裝電涌保護器。

等電位連接就是將船舶上分開的裝置、導(dǎo)電物體用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護器連接起來以減小雷電流在它們之間產(chǎn)生的電勢差。為了使得船舶上內(nèi)部防雷的可靠性提高，應(yīng)該在駕駛艙以及其他艙室內(nèi)設(shè)置等電位連接端子，將所有設(shè)備機殼、電源PE線、電涌保護器接地線以及較大金屬物就近連接到端子或等電位連接線上，值得注意的是，這些等電位連接端子必須連接在和海水充分接觸的船體上。

對船舶上的電子設(shè)備進行電磁屏蔽就是利用屏蔽材料將這些設(shè)備封閉起來，使得船載電子設(shè)備盡可能小地遭受雷擊電磁脈沖的影響。由于雷電產(chǎn)生輻射電磁場很強，所以要求屏蔽材料不但要具有良好的磁屏蔽，而且還要具有良好的電屏蔽效果。船上的艙室和設(shè)備的機箱可以起到一定的屏蔽作用，但是對于敏感的電子設(shè)備而言，艙室的觀察窗以及設(shè)備的通風(fēng)孔都不能提供屏蔽效能，因此，必須通過特殊處理來提高艙室和機箱的屏蔽效果。對于觀察窗可以采用高性能的屏蔽玻璃，且安裝時必須將內(nèi)部的金屬層與窗框良好接觸，而通風(fēng)孔可以采取截止波導(dǎo)式陣列通風(fēng)孔的方式來增強屏蔽效果。

由船體引入各艙室的電子設(shè)備的線纜應(yīng)當(dāng)采用屏蔽線纜，屏蔽線纜應(yīng)當(dāng)兩端接地，當(dāng)只允許單端接地時，應(yīng)當(dāng)采用雙層屏蔽措施，外層屏蔽應(yīng)當(dāng)兩端接地。

船載設(shè)備擁有良好的接地系統(tǒng)是減少雷電對其造成危害的有效方法，事實上，由于船體與海水可以時刻保持充分接觸，且船體本身是一個良導(dǎo)體，所以可以利用船體本身作為共用接地系統(tǒng)。為了減少雷電對電視天線、衛(wèi)星導(dǎo)航天線和雷達天線等船載設(shè)備的威脅，必須將這些設(shè)備與船體進行良好的接觸。

對船載設(shè)備造成威脅的閃電電涌主要通過交流、直流電源或與室外連接的信號控制線傳導(dǎo)進入電子設(shè)備內(nèi)部，對微電子設(shè)備造成損壞。從這個角度出發(fā)，可以采用在電子設(shè)備的交流、直流電源端口和信號控制端口安裝電涌保護器的方式對設(shè)備進行保護。但是，對于不同的設(shè)備要選擇合適的電涌保護器，保證在沒有雷擊電磁脈沖時設(shè)備可以正常工作，而當(dāng)閃電電涌沿線路傳播時可以起到限壓、分流的作用。船舶上容易感應(yīng)雷擊電脈沖的設(shè)備包括外露的電源線、信號線和短波天線等，所以在這些線纜進入艙室的位置處都要安裝適配的電涌保護器件，從而有效防止閃電電涌由電源或信號線路進入船舶設(shè)備，并達到保護電子設(shè)備的效果。

為了使船舶盡可能少地遭受雷擊電磁脈沖影響，應(yīng)該綜合利用上述幾種內(nèi)部防雷措施，并使它們發(fā)揮最大的防雷作用，從而保障船舶在海洋上的安全航行。

2.3 其他建議

投入使用的船舶往往處于比較潮濕、風(fēng)力強勁的工作大環(huán)境中，這種環(huán)境非常容易引起作為防雷裝置的金屬物腐蝕銹斷，所以應(yīng)該重視船舶上的防雷裝置的完好，特別是進入雷雨多發(fā)季節(jié)前，應(yīng)該提前對船舶的避雷裝置進行認真、細致的檢查、檢測和保養(yǎng)，確保外部避雷裝置從上到下電氣導(dǎo)通，尤其是連接部位要牢固，避雷裝置的電阻值要符合規(guī)定要求，這樣才能有效地預(yù)防雷電。

船舶上的工作人員在遇到雷電天氣時，應(yīng)盡可能的少在甲板上逗留，最好呆在房間內(nèi)，并關(guān)好門窗；不宜使用水龍頭；切勿接觸天線、水管、鐵絲網(wǎng)、金屬門窗和船體，遠離電線等帶電設(shè)備或其他類似金屬裝置；避免使用手機。

3 結(jié)語

航行在世界各個海域的船舶是海面上明顯的突出物，且現(xiàn)代船舶上都裝有很多抗干擾能力較弱的精密儀器，由于船舶存在這兩個特點，大大增加了其遭受雷電直接或間接危害的概率。所以對現(xiàn)代船舶進行雷電防護應(yīng)該是一個綜合性課題，要同時注重外部防雷和內(nèi)部防護。對于船舶的外部雷電防護措施主要包括接閃器、引下線和泄流裝置，而內(nèi)部防雷措施包括等電位連接、屏蔽、接地和安裝電涌保護器，只有將這些措施配合施行才能為船舶航行提供最可靠的保障。

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作者簡介：王鵬（1987—），男，陜西大荔人，本科，助理工程師，主要從事雷電防護科學(xué)與技術(shù)工作。

收稿日期：2014-07-01

中圖分類號：S429

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1005–0582（2015）01–0032–04