鄭生全，侯冬云，李 迎，劉其鳳，鄧 峰，趙 剛

（1.電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢 430064；2.中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

艦船系統(tǒng)的雷電防護設計

鄭生全1，侯冬云1，李 迎2，劉其鳳1，鄧 峰1，趙 剛1

（1.電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢 430064；2.中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

艦船是海面上最容易遭受雷電襲擊的目標。雷電的直接效應和間接效應都會對高度信息化的艦船系統(tǒng)構(gòu)成嚴重危害。因此，在艦船的雷電防護設計中，不僅要進行直擊雷的防護，還要高度重視雷電電磁脈沖的危害，并進行相應的防護設計。本文分析了雷電對艦船系統(tǒng)的危害特性，提出了針對艦船系統(tǒng)的直擊雷和雷電電磁脈沖的防護設計方法。

艦船；雷電；危害；防護

雷電是自然界最頻繁的大氣放電現(xiàn)象，通過對衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計分析表明，全球每秒鐘發(fā)生100次左右閃電；雷電的脈沖功率可達2億k W；脈沖電流峰值高達數(shù)k A到300 k A。雷電流強大的沖擊機械效應和熱效應以及伴隨的電磁脈沖效應，對各類建筑物、電子設備和系統(tǒng)、大型裝備等產(chǎn)生非常嚴重的破壞。1987年6月9日，美國肯尼迪航天中心的火箭發(fā)射場上，在雷雨交加之際，3枚小型火箭因雷電導致誤觸發(fā)升上天空；同年，美國在一次海軍衛(wèi)星發(fā)射中，雷擊導致升空火箭中的計算機系統(tǒng)誤指令，使上升火箭的一噴口轉(zhuǎn)向，最終不得不引爆火箭，損失達1.6億美元。1993年4月21日和1997年8月6日，上海奧林匹克俱樂部兩次遭受雷害，均造成計算機網(wǎng)絡停止工作，程控電話自動記費系統(tǒng)傳輸中斷，其中一次中斷了20多小時后才恢復工作。據(jù)美國國家雷電安全研究所關(guān)于雷電危害情況的一份調(diào)查報告表明，美國每年因雷擊造成的損失約50～60億美元；我國每年因雷擊造成人員傷亡達3000～4000人，財產(chǎn)損失約超過100億元人民幣。因此，對重要設施和信息系統(tǒng)的雷電及其電磁脈沖防護，已引起世界各國人們的高度重視，并開展了大量研究［1－4］。

飛機、導彈等飛行物容易被云間和云地的雷電擊中，地面的高大高筑物容易被云地間的雷電襲擊。海面也是極容易形成雷電的區(qū)域，游弋在開闊海面上的大型艦船，由于其高高聳立的桅桿和各類突出的天線，使其成為海面上最易受雷電襲擊的目標。本文將針對艦船的特點，分析雷電的危害及相應的防護設計方法。

1 雷電的危害效應

雷電對艦船的危害效應包括雷電的直接效應和雷電流引起的間接效應。直接效應即直接由雷擊產(chǎn)生的物理效應，表現(xiàn)為燃燒、侵蝕、爆炸、結(jié)構(gòu)變形、高壓沖擊波、強電流形成的磁場，以及雷電沿避雷裝置引下線向大地（海面）泄放時所形成的足以致命的接觸電壓和跨步電壓等；雷電流引起的間接效應即電磁輻射效應，也就是伴隨著雷電產(chǎn)生的電磁脈沖輻射及其與設備和系統(tǒng)之間的相互作用。

1.1 雷電對船體結(jié)構(gòu)的機械和熱效應

雷電直接效應的主要原因是雷電電弧附著、高壓沖擊波和因強電流伴隨的磁力引起的。在持續(xù)的雷電回擊過程中，大電流產(chǎn)生的高溫會熔化或點燃固體材料，造成破壞。而持續(xù)時間短、峰值大的電流脈沖，會通過電磁力使金屬零件損壞或扭曲。電磁力的大小與瞬時電流的平方成正比。雷電直接效應的危害程度與物體電流傳導和熱傳導的能力有關(guān)。由于金屬材料的導電、導熱性能良好，可以為雷電流形成一條低阻抗的“捷徑”導入大地，通常用于直擊雷的防護系統(tǒng)。由于機械力的存在，必須要把保護系統(tǒng)可靠地緊固。因此，金屬的桅桿和船體結(jié)構(gòu)，都可以對雷電起到良好的引導作用，不會對船體結(jié)構(gòu)造成危害。

但是，當絕緣體和半絕緣材料承受雷電放電時，可能會發(fā)生爆炸而嚴重損壞。如玻璃鋼船體、玻璃鋼天線罩、木質(zhì)的桅桿或旗桿等，在受到雷電襲擊時，則會遭受嚴重破壞。部分船舶為了減輕重量，采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)的桅桿或船體結(jié)構(gòu)，或在較細的鋼結(jié)構(gòu)外層包一層玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由于雷電總是盡可能的通過最小阻抗的通道流向大地，為了要達到金屬通道，放電必須穿越這些木質(zhì)或玻璃鋼障礙，在穿越這些非金屬材料的障礙時，由于瞬時大電流產(chǎn)生的高熱高溫使內(nèi)部水蒸汽瞬時汽化，通常會引起更大的爆炸，或使材料擊穿燒毀。水面艦船上布置在桅桿上帶玻璃鋼天線罩的天線曾遭受雷擊，天線罩被燒出一個直徑20 cm左右的大洞。

1.2 雷電對艦船系統(tǒng)的電效應

雷電對船體桅桿、避雷針結(jié)構(gòu)放電時，往往會引起電子設備的損壞。導體的熔化或燒毀通常發(fā)生在雷擊點上。由快速上升的大幅值電流脈沖形成的脈沖電壓，其幅值足以擊穿絕緣材料，引起元器件的破壞和失效，甚至造成人員的傷亡。脈沖電壓產(chǎn)生的主要原因包括結(jié)構(gòu)和地線的電阻壓降，長導體的磁感應電壓等。

雷電放電所產(chǎn)生的電流脈沖通常具有較快的上升時間，約1～8μs，較高的電流幅值，一般為10～200 k A。這樣快速變化的大電流，即使是在相當短的導體上，也會產(chǎn)生很高的電壓，這個高電壓甚至可以擊穿空氣和其他絕緣材料，引起飛弧放電。

舉例來說，對于艦船桅桿上一根長20 m、直徑為Φ10 mm的圓銅棒引下導體，在通過200 k A的電流時，所產(chǎn)生的阻性壓降為

把電感考慮進去，引下導體的電感為

式中：L 為總電感量（μH）；l為導線長度（cm）；d為導線直徑（cm ）。

跨在一個電感兩端所產(chǎn)生的電壓由式（3）計算：

式中：L為電感（H）；d i／d t為通過電感的電流變化率（A／s）。

典型的雷電電流變化率為20 k A／μs，此值對應的d i／d t值為2×1010A／s，因此，雷電流流過導體電感的感應電壓為

盡管此電壓持續(xù)時間通常小于2μs，但是電壓幅值很高，足以對引下導體附近的導電物體引起飛弧。這就要求引下線導體附近的金屬物體要與引下線導體實行電氣連接，以避免飛弧放電。

艦船上高高聳立的桅桿，以及桅桿上部布置的各類通信天線、雷達天線，容易遭受雷擊。盡管桅桿本身可以起到避雷針作用，但在離桅桿較遠的短波鞭狀直立天線、桅桿橫桁兩端較高的超短波天線、桅桿頂部的雷達天線，都是容易受到雷電襲擊的部位。通信、雷達天線在遭受雷電的直接襲擊時，強大的雷電脈沖電流將沿著天線和與天線相連接的射頻電纜、控制電纜傳入艙室內(nèi)部，燒毀電子設備，甚至對操作人員的人身安全構(gòu)成危害。

由于強大的雷電流變化率很快，與雷電放電通路并無直接接觸的電路，即使排除了飛弧交連和雷電的直接放電，在鄰近導體上也會產(chǎn)生電磁感應電壓，試驗和分析數(shù)據(jù)表明，雷電流附近導體上的感應電壓可達數(shù)百伏甚至上千伏，超過電路中許多元器件，特別是固體器件所允許的工作電平，對電子設備和系統(tǒng)構(gòu)成破壞。雷電放電的電磁頻譜其主要能量集中在30 MHz以下，所以，無論是艦船平臺上發(fā)生的雷電放電還是艦船附近上千米范圍海面上發(fā)生的雷電放電，產(chǎn)生的電磁輻射都會通過外露的天線和電纜感應到艦上的敏感電子設備和系統(tǒng)，對電子設備和系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其正常工作。

2 艦船防雷的考慮

艦船系統(tǒng)的雷電防護，與陸地上重要建筑物的防雷相類似，也應包括外部防護和內(nèi)部防護。外部防護主要是直擊雷的防護，其作用是攔截和泄放雷電流，保護艦船的上層建筑及桅桿、甲板上布置的各種武備、天線、艦載機等免遭雷電的襲擊。內(nèi)部防護則主要是對雷電電磁脈沖防護，防止強大的雷電脈沖電流產(chǎn)生的脈沖輻射場經(jīng)天線、各種電源和信號電纜、地線等耦合至艙室內(nèi)部的電子設備而造成對人員和設備的危害，其作用主要是均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。

2.1 艦船直擊雷的防護設計

與陸地上建筑物直擊雷防護的原理相同，艦船處于開闊的海面上，其外部的直擊雷防護系統(tǒng)也應包含接閃器（避雷針）、引下線、接地體等。對于金屬船體和桅桿，本身是一個良好的導體時，桅桿既可以作為接閃器，也可以作為引下線，船體與海水大面積的接觸，可以作為良好的接地體。但是，對于非金屬材料（如玻璃鋼）的桅桿或船體，則必須在桅桿頂端布置避雷針，并通過具有足夠截面積的導體引下線連接至金屬船體的甲板上進行良好焊接或壓接，如果船體也是非金屬，則需將引下線直接導入海水中，并與海水有足夠的接觸面積，保證雷電通道的低阻抗特性。

但是，在艦船的桅桿上通常布置有大量的通信、探測設備的天線，以及與天線相連直接通到艙室內(nèi)部的各類電纜。這些天線和電纜是直擊雷防護中特別需要受保護的對象。因此，在進行艦船避雷針設計時，首先要確定艦上要保護的對象，確定避雷針的保護范圍，再根據(jù)避雷針的保護范圍確定避雷針的數(shù)量和高度。同時，避雷針、引下線的安裝位置，不能影響桅桿上各類天線的方向圖畸變超出允許的范圍。

避雷針的保護范圍與避雷針的高度、雷電先導電流的強度、甚至與雷電的極性（取決于雷云底部所帶電荷的類型）都有關(guān)。雷電保護設計中一個很重要的參數(shù)——雷擊距離，是指即將被雷電擊中的物體和雷電下行先導之間的距離，避雷針的保護范圍是由雷擊距離決定的。關(guān)于避雷針的保護范圍有多種計算方法，最粗略的計算方法為圓錐保護法（CPM）。圓錐保護法的計算模型見式（5）。

式中：Rs為雷擊距離；h為避雷針的高度；r0為地面水平保護半徑，也有根據(jù)圓錐頂角來提出保護范圍的，如圖1所示。

由于圓錐法未考慮雷電先導的電流強度，僅僅只考慮了避雷針的高度，只能作為簡單的估計。比較準確的方法也是許多標準上所采用的方法為滾球法（RSM），滾球法的計算模型如式（6）—式（8）。

式中：Rs為雷擊距離；Ip為先導峰值電流；r0為地面保護半徑；rx為高度為hx平面上的保護半徑。

滾球法是以Rs為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及避雷針和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，該部分就是避雷針的保護區(qū)域，如圖2所示。通常采用滾球法來進行艦船上避雷針保護范圍的計算。

艦船系統(tǒng)除了桅桿上的天線和電纜以外，艦船甲板上突出的武備、天線也是雷電容易擊中的部位。由于艦船的大尺寸結(jié)構(gòu)，太高的避雷針安裝在桅桿上從結(jié)構(gòu)和總體性能上也不現(xiàn)實，桅桿上的避雷針可能無法對全船進行保護，因此，需要對全艦進行區(qū)域劃分，以確定避雷針的數(shù)量。對于縱向尺度較小的快艇，桅桿頂部設一處避雷針就可以對全船實現(xiàn)保護；但對于護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、航母等大縱向尺寸的艦船，則需要分為3～4個區(qū)域，分別進行設計和防護。如圖3所示。根據(jù)各區(qū)域的保護范圍要求，確定各避雷針的安裝高度。除了理論的仿真計算外，還需要采用模型試驗方法，對艦船上避雷針布置的位置、高度、數(shù)量、保護效果等進行驗證。如圖4所示。

圖1 圓錐法確定避雷針保護范圍

圖2 滾球法確定避雷針保護范圍示意圖

布置在桅桿頂部的避雷針對桅桿的重心、抗風能力、撓度、振動、形變等整體結(jié)構(gòu)性能影響較大，因此，要將避雷針與桅桿一起進行建模，分析避雷針對桅桿性能的影響。如果避雷針對桅桿的影響過大，則需要降低避雷針的高度或重量，重新劃分避雷針的保護范圍和配置的數(shù)量。

圖3 護衛(wèi)艦雷電防護的分區(qū)設計方案

避雷針的形狀和種類很多，目前市場上除了傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針外，還包括提前流光發(fā)射空氣端子（ESE）、電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（CTS）、半導體消雷器（SLE）和等離子體避雷體等，如圖5所示。但這些新的防雷技術(shù)目前并沒有被大多數(shù)防雷專家所接受。大量的野外實驗證明，直徑為20 mm左右圓頂?shù)膫鹘y(tǒng)型避雷針，其引雷效果優(yōu)于其它類型和尺寸的避雷針，因此其雷電的防護效果也最好。從結(jié)構(gòu)上講，傳統(tǒng)的避雷針也最適合于艦船使用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、風阻小、安裝方便、可靠性高等優(yōu)點。

2.2 艦船感應雷的防護設計

雷電發(fā)生時，在雷擊點附近會產(chǎn)生劇烈變化的磁場和電場。在距云對地雷擊點10 m的地方，通常磁場的變化率可以達到2.2×109A·m－1·s－1，電場變化率達到6.8×1011V／（m·s），這主要是由于雷電放電產(chǎn)生的電磁脈沖輻射引起的。雷電電磁脈沖輻射的頻譜分量可達到30 MHz，主要能量在10 MHz以下。如圖6所示。艦船上的通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)等都會感應雷電電磁脈沖而受到干擾甚至破壞。艦船系統(tǒng)感應雷的防護措施主要包括限幅、截流、分流、均壓、屏蔽、濾波和接地等。

圖4 艦船雷電防護設計的模型驗證試驗

圖5 不同種類的避雷針

限幅、截流、分流等雷電保護措施可以由不同的過電壓保護裝置實現(xiàn)。在選擇過電壓保護裝置時，主要考慮被保護對象的工作電壓、系統(tǒng)受雷電危害的威脅等級、雷電對設備工作狀態(tài)的影響程度等。當系統(tǒng)受到雷電磁脈沖襲擊產(chǎn)生瞬時高電壓時，過電壓保護裝置導通或?qū)㈦妷嚎刂圃谝欢ǖ姆?，將大的雷電流引導到地，保護后端的電路。當雷電脈沖過后，過電壓保護裝置恢復到高阻狀態(tài)，使線路恢復正常工作。適當選擇保護電路的門限電平和通流容量，既可以保證工作信號的正常通過，又可以防止雷電電磁脈沖信號對敏感電路的破壞。艦船上容易感應雷電脈沖的部分主要包括外露的短波／超短波天線、甲板上外露的電源和信號電纜等。因此，在所有短波／超短波通信天線的射頻電纜前端或進入艙室之前，均應加裝雷電過電壓保護裝置。通往上層甲板外露較長的電源線、信號線在進入艙室前也要加裝雷電過電壓保護裝置，保護相連接的電子設備，同時防止電磁干擾進入艦船電網(wǎng)或信號網(wǎng)絡。此外，良好的接地是過電壓保護裝置發(fā)揮作用的前提。

屏蔽是防止和減小雷電電磁脈沖輻射對敏感電子設備危害的最有效方法之一。由于雷電的電場和磁場均較高，要求屏蔽材料既具有良好的電屏蔽，又具有良好的磁屏蔽效果。通常，采用導磁率較高的鋼結(jié)構(gòu)船體能提供較好的磁屏蔽效果。如果是玻璃鋼結(jié)構(gòu)的船體，則主要依靠設備的機箱、電纜等自身的屏蔽保護。艦船系統(tǒng)屏蔽的關(guān)鍵在于艙室的孔縫、觀察窗、通風孔、設備機箱的孔縫等。艦船上普通的風雨密門、觀察窗、通風孔不能提供足夠的屏蔽效能，對關(guān)鍵的電子設備必須采用特殊的材料和工藝，提高整體的屏蔽效能。在觀察窗口采用高性能的屏蔽玻璃，在通風孔處覆蓋金屬線編織網(wǎng)，或采用截止波導式陣列通風孔，對屏蔽體的所有縫隙進行良好的焊接、壓接、或彈性接觸，并對屏蔽體的貫穿導體在入口處進行良好的電連續(xù)性處理，都是提高艦船系統(tǒng)屏蔽效能的有效方法。值得注意的是，大部分屏蔽玻璃都是表面鍍一層金屬膜或在夾層夾金屬絲網(wǎng)，或兩種方法同時使用，在屏蔽玻璃的安裝過程中，一定要將玻璃內(nèi)部的金屬層與窗框良好電接觸，否則會在屏蔽窗的邊沿形成電磁泄漏縫隙，影響屏蔽效能。

雷電電磁脈沖具有較寬的頻譜特性，采用帶限幅器的電磁脈沖濾波器，并進行良好接地，既可以對瞬時浪涌電壓進行限位，也可以對雷電帶外的電磁干擾能量進行抑制。裝有濾波器的設備，可在不影響電路正常工作的條件下，盡量提高高通濾波器的截止頻率，或盡量降低低通濾波器的截止頻率，增大阻帶衰耗，以減小進入內(nèi)電路的沖擊能量。

良好的布局也是減小雷電電磁脈沖感應的重要手段。由于雷電電磁脈沖具有很強的磁場分量，減小系統(tǒng)布局的磁場感應回路面積，可以有效地減小雷電電磁脈沖的危害。如在布局時盡量減小電纜與金屬艙壁之間的間隙，將電纜緊靠艙壁或甲板布置，盡量減小電纜的長度；將傳輸弱信號的敏感電纜盡量遠離艙室門洞、窗口、通風開孔等。由于集膚效應的影響，雷電流大部分都是沿導體的外壁流動。因此，桅桿上與天線相連的各類電纜應盡量在桅桿內(nèi)部敷設，減小因引下線或桅桿上大的雷電流在電纜上的耦合電壓。對于封閉式的柱狀桅，電纜可以在桅桿內(nèi)部敷設，而對于桁架桅，則需將電纜穿金屬管后，在桁架內(nèi)部引至船體甲板。如果避雷針的針體為內(nèi)徑足夠大的金屬管，也可以將電纜從避雷針內(nèi)部引至船體甲板。

圖6 雷電電磁脈沖頻譜分布

3 結(jié) 語

艦船的雷電防護是艦船總體電磁兼容設計的重要內(nèi)容，它是一個系統(tǒng)工程，需要設備、系統(tǒng)、總體3個層面的綜合考慮。設備需要在器件的選型、機箱的屏蔽、與外部連接端口的處理上考慮雷電脈沖的輻射與傳導危害防護；系統(tǒng)則需要在系統(tǒng)內(nèi)部和外部的連接上采取防雷措施；總體需要考慮全艦直擊雷的防護，優(yōu)化布局減小雷電感應，并采用嚴格的工藝和相關(guān)的防護措施，阻止雷電脈沖進入艦船敏感系統(tǒng)內(nèi)部。

［1］ MOORE C B，AULICH G D，RISAN W.The case for blunt-tipped lightning rods as sbike receptors（1）［J］.Appl Meteor，2003，42：984-993.

［2］ GRZYBOWSKI S.Experimental evaluation of lightning protection zone used on ship［A］.2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena［C］.［S.l.］：［s.n.］，2007.215-220.

［3］ 鄭生全.雷電防護研究中關(guān)于避雷針的一些探討［J］.電磁兼容性技術(shù)，2008（2）：49-54.

［4］ 鄭生全，吳曉光，朱英富.艦船平臺強電磁脈沖威脅與防護要求［J］.微波學報，2010（增刊）：101-104.

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1008-1542（2011）07-0178-05

2011-06-20；責任編輯:馮 民

鄭生全（1970-），男，湖北仙桃人，高級工程師，碩士，主要從事電磁脈沖危害與防護方面的研究。