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(cè)中心，北京 00089)

船舶雷電防護(hù)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(cè)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(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，文章依據(jù)雷電形成的過程及特點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(hù)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(hù)建議。只有合理地采用各種防護(hù)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(hù)；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(yán)重的十種自然災(zāi)害之一，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(huì)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(duì)雷電的防護(hù)非常重視，然而，對(duì)于船舶的雷電防護(hù)資料及措施卻很少。

相對(duì)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(yùn)局的一艘游輪在大連碼頭被雷電擊中，裝在船尾的一個(gè)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(shí)，裝在室內(nèi)的電視信號(hào)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(duì)71起船舶遭雷擊事件進(jìn)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(diǎn)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(jìn)一步認(rèn)識(shí)雷擊事故對(duì)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(diǎn)認(rèn)為海上的船舶與海水有充分的接觸，海水會(huì)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(huì)對(duì)人身財(cái)產(chǎn)造成危害。其實(shí)，如果只考慮直擊雷擊中船體的情況，上述觀點(diǎn)尚且可以認(rèn)為是對(duì)的，但是，雷電對(duì)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(duì)抗干擾能力較低的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，都會(huì)對(duì)船舶的安全航行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。所以，文中講述的船舶雷電防護(hù)不單是針對(duì)船體本身的保護(hù)，還包括船上所有電子設(shè)備、通信系統(tǒng)等的全方位保護(hù)。

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(diǎn)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(huì)起到引雷的作用。直擊雷的電流峰值可以高達(dá)幾萬～幾十萬安培，如此強(qiáng)大的雷電流通過被擊中的物體時(shí)會(huì)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是雷電流的大小（A），t是一次雷電持續(xù)的時(shí)間（s）。在忽略散熱的影響時(shí)，可以計(jì)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(shí)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(huì)對(duì)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(shí)船舶上的導(dǎo)體會(huì)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(huì)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)處在其中的導(dǎo)體產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)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(shí)，強(qiáng)大的電磁場(chǎng)可能耦合到船上的電纜線上，感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(jì)，雷電對(duì)微電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(hù)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(huì)對(duì)船舶安全航行造成極大隱患。所以，為了避免雷電對(duì)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(hù)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(duì)海平面而言具有突出的特點(diǎn)，而固定在船體的桅桿通常是整個(gè)船的至高點(diǎn)，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(gè)接閃器都只能保護(hù)一定的區(qū)域，因此，只依靠船舶上的桅桿是不可能保護(hù)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(diǎn)，可以在這些建筑物面向海洋的兩個(gè)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(dòng)及物品堆放相對(duì)集中，這些船載物一般會(huì)高出船周圍的圍欄，所以應(yīng)該在船頭設(shè)立接閃桿加強(qiáng)對(duì)船頭物品及人員的保護(hù)。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(jìn)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(hù)的范圍進(jìn)行計(jì)算得到，比較準(zhǔn)確的一種計(jì)算方法是滾球法，該方法的計(jì)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(hù)半徑，h是接閃器高度，rx是高度為hx平面上的保護(hù)半徑。由公式（3）～（5）可以計(jì)算得到接閃器的保護(hù)外邊界。接閃器架設(shè)的數(shù)量要根據(jù)所有接閃器保護(hù)外邊界可以將整艘船舶籠罩的原則進(jìn)行確定。

在整艘船舶已經(jīng)處于接閃器保護(hù)的情況下，一些船載設(shè)備或危險(xiǎn)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(qiáng)大的雷電流通過引下線泄放入海的同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生雷電反擊，從而對(duì)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(hù)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(zhǎng)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(hù)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(qiáng)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(hù)范圍。

圖2　經(jīng)過修正的接閃器保護(hù)范圍

在船頭或船尾建筑物上架設(shè)傳統(tǒng)接閃器可能會(huì)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(dá)到既可以防護(hù)直擊雷又不會(huì)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(qiáng)烈變化的輻射電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)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(diǎn)。其主要措施包括等電位連接、屏蔽、接地和安裝電涌保護(hù)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(hù)器連接起來以減小雷電流在它們之間產(chǎn)生的電勢(shì)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(jī)殼、電源PE線、電涌保護(hù)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(duì)船舶上的電子設(shè)備進(jìn)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(chǎng)很強(qiáng)，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(jī)箱可以起到一定的屏蔽作用，但是對(duì)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(jī)箱的屏蔽效果。對(duì)于觀察窗可以采用高性能的屏蔽玻璃，且安裝時(shí)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(qiáng)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(shí)，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(duì)其造成危害的有效方法，事實(shí)上，由于船體與海水可以時(shí)刻保持充分接觸，且船體本身是一個(gè)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(duì)電視天線、衛(wèi)星導(dǎo)航天線和雷達(dá)天線等船載設(shè)備的威脅，必須將這些設(shè)備與船體進(jìn)行良好的接觸。

對(duì)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(hào)控制線傳導(dǎo)進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部，對(duì)微電子設(shè)備造成損壞。從這個(gè)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(hào)控制端口安裝電涌保護(hù)器的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。但是，對(duì)于不同的設(shè)備要選擇合適的電涌保護(hù)器，保證在沒有雷擊電磁脈沖時(shí)設(shè)備可以正常工作，而當(dāng)閃電電涌沿線路傳播時(shí)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(hào)線和短波天線等，所以在這些線纜進(jìn)入艙室的位置處都要安裝適配的電涌保護(hù)器件，從而有效防止閃電電涌由電源或信號(hào)線路進(jìn)入船舶設(shè)備，并達(dá)到保護(hù)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(qiáng)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(jìn)入雷雨多發(fā)季節(jié)前，應(yīng)該提前對(duì)船舶的避雷裝置進(jìn)行認(rèn)真、細(xì)致的檢查、檢測(cè)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(shí)，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(yuǎn)離電線等帶電設(shè)備或其他類似金屬裝置；避免使用手機(jī)。

3 結(jié)語

航行在世界各個(gè)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(gè)特點(diǎn)，大大增加了其遭受雷電直接或間接危害的概率。所以對(duì)現(xiàn)代船舶進(jìn)行雷電防護(hù)應(yīng)該是一個(gè)綜合性課題，要同時(shí)注重外部防雷和內(nèi)部防護(hù)。對(duì)于船舶的外部雷電防護(hù)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(hù)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(jiǎn)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(hù)科學(xué)與技術(shù)工作。

收稿日期：2014-07-01

中圖分類號(hào)：S429

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1005–0582（2015）01–0032–04