蔣曉亮，王 月

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引言

雷電是一種大氣云層的強(qiáng)烈放電過(guò)程，有著極強(qiáng)的破壞性和危害性，全球每年都會(huì)發(fā)生大量的雷擊災(zāi)害，而對(duì)于長(zhǎng)期航行在海洋中的船舶，尤其是運(yùn)輸原油或其產(chǎn)品的油船，需要更加重視對(duì)雷電的預(yù)防工作，避免人員傷亡、船舶設(shè)備損壞等事故發(fā)生。為此，本文以阿芙拉型油船為研究對(duì)象，采用折線(xiàn)法和滾球法，計(jì)算其接閃器的保護(hù)范圍，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，提出適合油船雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)方案。

1 雷電對(duì)船舶的危害

根據(jù)雷電對(duì)船舶的危害方式，可將其分為感應(yīng)雷和直擊雷2種類(lèi)型。

1.1 感應(yīng)雷

雷擊放電時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大幅度的電流，在空間中產(chǎn)生迅速變化的磁場(chǎng)，使在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)體處于閉合狀態(tài)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，從而對(duì)電子設(shè)備造成干擾和損壞。目前大多數(shù)船舶為鋼質(zhì)船，其本身的金屬外殼會(huì)對(duì)內(nèi)部的電力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)能起到良好的屏蔽作用，從而減小雷電對(duì)設(shè)備的損壞，同時(shí)船上設(shè)備及線(xiàn)路往往都設(shè)有保護(hù)措施，用以防止過(guò)大的電流和電壓。因此，感應(yīng)雷電對(duì)船舶影響不大。

1.2 直擊雷

帶電云層對(duì)目標(biāo)物體發(fā)生激烈的放電行為，其能量巨大，且時(shí)間非常短暫，放電電流最高可達(dá)幾百千安、電壓幾百萬(wàn)伏，對(duì)釋放的物體將產(chǎn)生破壞性很強(qiáng)的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)及電效應(yīng)，能夠?qū)Υ霸斐芍苯拥膿p壞。尤其是油船，在運(yùn)輸易揮發(fā)性油時(shí)，油氣需要通過(guò)排氣系統(tǒng)的透氣管排出，因此在主甲板面上設(shè)置了大量的透氣口。對(duì)于匯集成一根總管的公共透氣管，為了安全考慮都會(huì)將其透氣管口設(shè)置在盡可能高于甲板的位置，一般會(huì)布置在公共透氣桅上。這些高聳在甲板面上的金屬透氣管，很可能在雷雨天引發(fā)直擊雷，造成油氣泄露，甚至引起爆炸，所以對(duì)直擊雷的防護(hù)是重中之重。

2 保護(hù)范圍計(jì)算方法介紹

常用的防雷裝置為接閃器，能夠起到引雷的作用，并將雷電流通過(guò)引下線(xiàn)和接地裝置泄流至大地，從而保護(hù)周?chē)奈矬w，避免直接雷擊[1]。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范，船用的接閃器需滿(mǎn)足以下要求：

(1)接閃器由直徑不小于12 mm的銅或銅合金導(dǎo)電桿組成，并至少高出桅頂300 mm；也可采用其他材料，如不銹鋼、鋁合金、經(jīng)防銹處理的鐵桿等，但應(yīng)保證接閃器與接地端子間的電阻不超過(guò)0.02 Ω。這些材料均應(yīng)耐海水腐蝕。

(2)對(duì)于液貨船，位于桅桿頂端或其附近的可燃?xì)怏w通風(fēng)口應(yīng)由接閃器進(jìn)行保護(hù)。接閃器應(yīng)高出通風(fēng)口至少2 m。

然而接閃器也是有一定的保護(hù)范圍的?？紤]到計(jì)算中數(shù)據(jù)基準(zhǔn)的一致性，通常選取船舶主甲板作為所有計(jì)算的基準(zhǔn)面。本文主要研究折線(xiàn)法和滾球法計(jì)算接閃器的保護(hù)范圍。

2.1 折線(xiàn)法

折線(xiàn)法的保護(hù)范圍是一個(gè)以接閃器為軸，針尖為頂點(diǎn)的折線(xiàn)形成的圓錐體，椎體的母線(xiàn)由2條折線(xiàn)構(gòu)成。地面上的保護(hù)范圍是一個(gè)半徑為1.5P(P為接閃器高度影響系數(shù))倍接閃器高度的圓。在被保護(hù)物高度的平面上，保護(hù)范圍由下式確定：

當(dāng)hx≥h/2時(shí)，rx=(h-hx)P

(1)

當(dāng)hx

(2)

目前，我國(guó)建筑物的防雷保護(hù)范圍計(jì)算大部分采用折線(xiàn)法，但是它有以下2個(gè)缺點(diǎn)：

①根據(jù)公式可以看出接閃器的高度越高則保護(hù)范圍越大，但不適用于側(cè)擊雷保護(hù)范圍的計(jì)算；

②計(jì)算的結(jié)果與雷電流幅值的大小無(wú)關(guān)，因此這一模型并不完全符合實(shí)際情況。

2.2 滾球法

滾球法的算法是基于電氣幾何模型。首先假想一個(gè)半徑為r的球沿著需要保護(hù)的物體周?chē)鷿L動(dòng)，當(dāng)球體只接觸接閃器和地面，包括與地面接觸并能夠承接雷擊的金屬物，而沒(méi)有接觸到需要保護(hù)的物體時(shí)，則認(rèn)定該物為得到了接閃器的防護(hù)。球的半徑r與雷擊范圍和雷電流大小有關(guān)，雷電流越大，受雷擊影響的范圍越大，則半徑越大[2]。根據(jù)幾何學(xué)，當(dāng)接閃器高度不變時(shí)，滾球半徑r越大，則該接閃器保護(hù)的范圍越大，反之則越小。保護(hù)范圍由下式確定：

(3)

(4)

式中：r為滾球半徑。

滾球法首先被美國(guó)使用，之后為歐洲等國(guó)家采納，最后成為國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法。該方法能夠判斷被保護(hù)物側(cè)向能否得到保護(hù)，而且保護(hù)的范圍受雷電流大小影響，所以被許多專(zhuān)家認(rèn)可，但也有人認(rèn)為該方法的計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。

3 接閃器保護(hù)范圍的實(shí)例計(jì)算

以阿芙拉型油船為實(shí)例，分別采用折線(xiàn)法和滾球法來(lái)計(jì)算其接閃器的保護(hù)范圍，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比兩者間的差異。

阿芙拉型油船的主甲板面豎立1座公共透氣桅，透氣口設(shè)在頂部。為防止雷擊，需在其周?chē)贾媒娱W器。該接閃器的布置主要考慮以下2點(diǎn)：

①避開(kāi)透氣口處有可燃?xì)怏w產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域；

②當(dāng)雷電流通過(guò)接閃器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓，對(duì)周?chē)槐Ｗo(hù)的物體產(chǎn)生巨大的電位差，從而擊穿空氣。

因此建議透氣口所在高度平面的保護(hù)范圍半徑應(yīng)不小于3 m。

3.1 折線(xiàn)法

一般情況下船舶接閃器高度h≤30 m，高度影響系數(shù)P=1。接閃器保護(hù)范圍見(jiàn)圖1。為了保護(hù)透氣管，在被保護(hù)物高度平面上的保護(hù)范圍半徑rx≥3 m、透氣口高度hx=6.384 m。通常透氣管高度不會(huì)小于接閃器高度的一半，將以上數(shù)據(jù)代入式(1)，可以得到h≥9.384 m，即采用折線(xiàn)法計(jì)算，接閃器的高度不小于9.384 m。

圖1 折線(xiàn)法保護(hù)范圍

3.2 滾球法

根據(jù)IEC 62305標(biāo)準(zhǔn)，雷電防護(hù)等級(jí)(LPL)分為4個(gè)等級(jí)，通?？紤]將油船歸為最高的I級(jí)，與該等級(jí)相對(duì)應(yīng)的滾球半徑r=20 m。接閃器保護(hù)范圍見(jiàn)圖2。在被保護(hù)物高度平面上的保護(hù)范圍半徑rx≥3 m，透氣管高度hx=6.384 m。滾球半徑通常大于接閃器高度，將數(shù)據(jù)代入式(3)，可以得到h≥10.587 m，即采用滾球法計(jì)算，接閃器的高度不小于10.587 m。

圖2 滾球法保護(hù)范圍

3.3 滾球法與折線(xiàn)法對(duì)比

為更加直觀對(duì)比2種方法在被保護(hù)物高度平面上的保護(hù)范圍，同時(shí)計(jì)算當(dāng)接閃器高度為9.384 m時(shí)采用滾球法的保護(hù)范圍，以及當(dāng)接閃器高度為10.587 m時(shí)采用折線(xiàn)法的保護(hù)范圍(見(jiàn)表1)。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于油船上同一高度的透氣桅，要達(dá)到相同的保護(hù)效果，用滾球法計(jì)算出的接閃器高度為10.587 m，而用折線(xiàn)

法計(jì)算出的高度僅為9.384 m。另外，在裝有同樣高度接閃器的情況下，采用折線(xiàn)法計(jì)算的保護(hù)范圍要比滾球法計(jì)算的保護(hù)范圍大。

表1 不同接閃器高度下的保護(hù)半徑

為了更好地對(duì)比2種模型的保護(hù)范圍，比較2種計(jì)算方法隨著接閃器高度變化而變化的趨勢(shì)，假定同為保護(hù)高度為6.384 m的公共透氣桅，2種模型的接閃器高度與保護(hù)半徑的關(guān)系見(jiàn)圖3。隨著接閃器高度的增加，兩者保護(hù)范圍之間的差值越來(lái)越大：滾球法考慮了物體遭受側(cè)向雷擊的可能，而折線(xiàn)法則忽略了這一點(diǎn)。另外，滾球法對(duì)于不同的雷電流幅值，其對(duì)應(yīng)的球體半徑也不一樣，而折線(xiàn)法則沒(méi)有考慮雷電流幅值的因素，這也與實(shí)際情況不符。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)阿芙拉型油船進(jìn)行雷電防護(hù)計(jì)算時(shí)，采用折線(xiàn)法計(jì)算簡(jiǎn)便，直觀易懂，但從可靠性考慮，適用于高度較低的接閃器，且其計(jì)算結(jié)果與雷電流幅值無(wú)關(guān)。而采用滾球法計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，其適合任何高度的接閃器，且考慮了雷電流幅值對(duì)保護(hù)范圍的影響，但該方法過(guò)于嚴(yán)苛。

圖3 接閃器高度與保護(hù)半徑的關(guān)系

目前人們對(duì)大氣學(xué)尤其是閃電規(guī)律的認(rèn)識(shí)還處于初級(jí)階段，因此對(duì)防雷技術(shù)的理論還有許多不同的看法。但對(duì)于油船來(lái)說(shuō)，由于甲板面透氣口高度不是很高，在這種情況下2種計(jì)算方法差距并不大，因此可以認(rèn)為折線(xiàn)法已經(jīng)能夠滿(mǎn)足油船防雷設(shè)計(jì)的要求；而滾球法由于計(jì)算繁瑣、易造成防雷投資過(guò)大，其計(jì)算結(jié)果可以用于參考。