舰船系统的雷电防护设计

郑生全，侯冬云，李 迎，刘其凤，邓 峰，赵 刚

（1.电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064；2.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

舰船系统的雷电防护设计

郑生全1，侯冬云1，李 迎2，刘其凤1，邓 峰1，赵 刚1

（1.电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064；2.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

舰船是海面上最容易遭受雷电袭击的目标。雷电的直接效应和间接效应都会对高度信息化的舰船系统构成严重危害。因此，在舰船的雷电防护设计中，不仅要进行直击雷的防护，还要高度重视雷电电磁脉冲的危害，并进行相应的防护设计。本文分析了雷电对舰船系统的危害特性，提出了针对舰船系统的直击雷和雷电电磁脉冲的防护设计方法。

舰船；雷电；危害；防护

雷电是自然界最频繁的大气放电现象，通过对卫星监测结果的统计分析表明，全球每秒钟发生100次左右闪电；雷电的脉冲功率可达2亿k W；脉冲电流峰值高达数k A到300 k A。雷电流强大的冲击机械效应和热效应以及伴随的电磁脉冲效应，对各类建筑物、电子设备和系统、大型装备等产生非常严重的破坏。1987年6月9日，美国肯尼迪航天中心的火箭发射场上，在雷雨交加之际，3枚小型火箭因雷电导致误触发升上天空；同年，美国在一次海军卫星发射中，雷击导致升空火箭中的计算机系统误指令，使上升火箭的一喷口转向，最终不得不引爆火箭，损失达1.6亿美元。1993年4月21日和1997年8月6日，上海奥林匹克俱乐部两次遭受雷害，均造成计算机网络停止工作，程控电话自动记费系统传输中断，其中一次中断了20多小时后才恢复工作。据美国国家雷电安全研究所关于雷电危害情况的一份调查报告表明，美国每年因雷击造成的损失约50～60亿美元；我国每年因雷击造成人员伤亡达3000～4000人，财产损失约超过100亿元人民币。因此，对重要设施和信息系统的雷电及其电磁脉冲防护，已引起世界各国人们的高度重视，并开展了大量研究［1－4］。

飞机、导弹等飞行物容易被云间和云地的雷电击中，地面的高大高筑物容易被云地间的雷电袭击。海面也是极容易形成雷电的区域，游弋在开阔海面上的大型舰船，由于其高高耸立的桅杆和各类突出的天线，使其成为海面上最易受雷电袭击的目标。本文将针对舰船的特点，分析雷电的危害及相应的防护设计方法。

1 雷电的危害效应

雷电对舰船的危害效应包括雷电的直接效应和雷电流引起的间接效应。直接效应即直接由雷击产生的物理效应，表现为燃烧、侵蚀、爆炸、结构变形、高压冲击波、强电流形成的磁场，以及雷电沿避雷装置引下线向大地（海面）泄放时所形成的足以致命的接触电压和跨步电压等；雷电流引起的间接效应即电磁辐射效应，也就是伴随着雷电产生的电磁脉冲辐射及其与设备和系统之间的相互作用。

1.1 雷电对船体结构的机械和热效应

雷电直接效应的主要原因是雷电电弧附着、高压冲击波和因强电流伴随的磁力引起的。在持续的雷电回击过程中，大电流产生的高温会熔化或点燃固体材料，造成破坏。而持续时间短、峰值大的电流脉冲，会通过电磁力使金属零件损坏或扭曲。电磁力的大小与瞬时电流的平方成正比。雷电直接效应的危害程度与物体电流传导和热传导的能力有关。由于金属材料的导电、导热性能良好，可以为雷电流形成一条低阻抗的“捷径”导入大地，通常用于直击雷的防护系统。由于机械力的存在，必须要把保护系统可靠地紧固。因此，金属的桅杆和船体结构，都可以对雷电起到良好的引导作用，不会对船体结构造成危害。

但是，当绝缘体和半绝缘材料承受雷电放电时，可能会发生爆炸而严重损坏。如玻璃钢船体、玻璃钢天线罩、木质的桅杆或旗杆等，在受到雷电袭击时，则会遭受严重破坏。部分船舶为了减轻重量，采用玻璃钢结构的桅杆或船体结构，或在较细的钢结构外层包一层玻璃钢结构，由于雷电总是尽可能的通过最小阻抗的通道流向大地，为了要达到金属通道，放电必须穿越这些木质或玻璃钢障碍，在穿越这些非金属材料的障碍时，由于瞬时大电流产生的高热高温使内部水蒸汽瞬时汽化，通常会引起更大的爆炸，或使材料击穿烧毁。水面舰船上布置在桅杆上带玻璃钢天线罩的天线曾遭受雷击，天线罩被烧出一个直径20 cm左右的大洞。

1.2 雷电对舰船系统的电效应

雷电对船体桅杆、避雷针结构放电时，往往会引起电子设备的损坏。导体的熔化或烧毁通常发生在雷击点上。由快速上升的大幅值电流脉冲形成的脉冲电压，其幅值足以击穿绝缘材料，引起元器件的破坏和失效，甚至造成人员的伤亡。脉冲电压产生的主要原因包括结构和地线的电阻压降，长导体的磁感应电压等。

雷电放电所产生的电流脉冲通常具有较快的上升时间，约1～8μs，较高的电流幅值，一般为10～200 k A。这样快速变化的大电流，即使是在相当短的导体上，也会产生很高的电压，这个高电压甚至可以击穿空气和其他绝缘材料，引起飞弧放电。

举例来说，对于舰船桅杆上一根长20 m、直径为Φ10 mm的圆铜棒引下导体，在通过200 k A的电流时，所产生的阻性压降为

把电感考虑进去，引下导体的电感为

式中：L 为总电感量（μH）；l为导线长度（cm）；d为导线直径（cm ）。

跨在一个电感两端所产生的电压由式（3）计算：

式中：L为电感（H）；d i／d t为通过电感的电流变化率（A／s）。

典型的雷电电流变化率为20 k A／μs，此值对应的d i／d t值为2×1010A／s，因此，雷电流流过导体电感的感应电压为

尽管此电压持续时间通常小于2μs，但是电压幅值很高，足以对引下导体附近的导电物体引起飞弧。这就要求引下线导体附近的金属物体要与引下线导体实行电气连接，以避免飞弧放电。

舰船上高高耸立的桅杆，以及桅杆上部布置的各类通信天线、雷达天线，容易遭受雷击。尽管桅杆本身可以起到避雷针作用，但在离桅杆较远的短波鞭状直立天线、桅杆横桁两端较高的超短波天线、桅杆顶部的雷达天线，都是容易受到雷电袭击的部位。通信、雷达天线在遭受雷电的直接袭击时，强大的雷电脉冲电流将沿着天线和与天线相连接的射频电缆、控制电缆传入舱室内部，烧毁电子设备，甚至对操作人员的人身安全构成危害。

由于强大的雷电流变化率很快，与雷电放电通路并无直接接触的电路，即使排除了飞弧交连和雷电的直接放电，在邻近导体上也会产生电磁感应电压，试验和分析数据表明，雷电流附近导体上的感应电压可达数百伏甚至上千伏，超过电路中许多元器件，特别是固体器件所允许的工作电平，对电子设备和系统构成破坏。雷电放电的电磁频谱其主要能量集中在30 MHz以下，所以，无论是舰船平台上发生的雷电放电还是舰船附近上千米范围海面上发生的雷电放电，产生的电磁辐射都会通过外露的天线和电缆感应到舰上的敏感电子设备和系统，对电子设备和系统产生电磁干扰，扰乱其正常工作。

2 舰船防雷的考虑

舰船系统的雷电防护，与陆地上重要建筑物的防雷相类似，也应包括外部防护和内部防护。外部防护主要是直击雷的防护，其作用是拦截和泄放雷电流，保护舰船的上层建筑及桅杆、甲板上布置的各种武备、天线、舰载机等免遭雷电的袭击。内部防护则主要是对雷电电磁脉冲防护，防止强大的雷电脉冲电流产生的脉冲辐射场经天线、各种电源和信号电缆、地线等耦合至舱室内部的电子设备而造成对人员和设备的危害，其作用主要是均衡系统电位，限制过电压幅值。

2.1 舰船直击雷的防护设计

与陆地上建筑物直击雷防护的原理相同，舰船处于开阔的海面上，其外部的直击雷防护系统也应包含接闪器（避雷针）、引下线、接地体等。对于金属船体和桅杆，本身是一个良好的导体时，桅杆既可以作为接闪器，也可以作为引下线，船体与海水大面积的接触，可以作为良好的接地体。但是，对于非金属材料（如玻璃钢）的桅杆或船体，则必须在桅杆顶端布置避雷针，并通过具有足够截面积的导体引下线连接至金属船体的甲板上进行良好焊接或压接，如果船体也是非金属，则需将引下线直接导入海水中，并与海水有足够的接触面积，保证雷电通道的低阻抗特性。

但是，在舰船的桅杆上通常布置有大量的通信、探测设备的天线，以及与天线相连直接通到舱室内部的各类电缆。这些天线和电缆是直击雷防护中特别需要受保护的对象。因此，在进行舰船避雷针设计时，首先要确定舰上要保护的对象，确定避雷针的保护范围，再根据避雷针的保护范围确定避雷针的数量和高度。同时，避雷针、引下线的安装位置，不能影响桅杆上各类天线的方向图畸变超出允许的范围。

避雷针的保护范围与避雷针的高度、雷电先导电流的强度、甚至与雷电的极性（取决于雷云底部所带电荷的类型）都有关。雷电保护设计中一个很重要的参数——雷击距离，是指即将被雷电击中的物体和雷电下行先导之间的距离，避雷针的保护范围是由雷击距离决定的。关于避雷针的保护范围有多种计算方法，最粗略的计算方法为圆锥保护法（CPM）。圆锥保护法的计算模型见式（5）。

式中：Rs为雷击距离；h为避雷针的高度；r0为地面水平保护半径，也有根据圆锥顶角来提出保护范围的，如图1所示。

由于圆锥法未考虑雷电先导的电流强度，仅仅只考虑了避雷针的高度，只能作为简单的估计。比较准确的方法也是许多标准上所采用的方法为滚球法（RSM），滚球法的计算模型如式（6）—式（8）。

式中：Rs为雷击距离；Ip为先导峰值电流；r0为地面保护半径；rx为高度为hx平面上的保护半径。

滚球法是以Rs为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及避雷针和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，该部分就是避雷针的保护区域，如图2所示。通常采用滚球法来进行舰船上避雷针保护范围的计算。

舰船系统除了桅杆上的天线和电缆以外，舰船甲板上突出的武备、天线也是雷电容易击中的部位。由于舰船的大尺寸结构，太高的避雷针安装在桅杆上从结构和总体性能上也不现实，桅杆上的避雷针可能无法对全船进行保护，因此，需要对全舰进行区域划分，以确定避雷针的数量。对于纵向尺度较小的快艇，桅杆顶部设一处避雷针就可以对全船实现保护；但对于护卫舰、驱逐舰、航母等大纵向尺寸的舰船，则需要分为3～4个区域，分别进行设计和防护。如图3所示。根据各区域的保护范围要求，确定各避雷针的安装高度。除了理论的仿真计算外，还需要采用模型试验方法，对舰船上避雷针布置的位置、高度、数量、保护效果等进行验证。如图4所示。

图1 圆锥法确定避雷针保护范围

图2 滚球法确定避雷针保护范围示意图

布置在桅杆顶部的避雷针对桅杆的重心、抗风能力、挠度、振动、形变等整体结构性能影响较大，因此，要将避雷针与桅杆一起进行建模，分析避雷针对桅杆性能的影响。如果避雷针对桅杆的影响过大，则需要降低避雷针的高度或重量，重新划分避雷针的保护范围和配置的数量。

图3 护卫舰雷电防护的分区设计方案

避雷针的形状和种类很多，目前市场上除了传统的富兰克林避雷针外，还包括提前流光发射空气端子（ESE）、电荷转移系统（CTS）、半导体消雷器（SLE）和等离子体避雷体等，如图5所示。但这些新的防雷技术目前并没有被大多数防雷专家所接受。大量的野外实验证明，直径为20 mm左右圆顶的传统型避雷针，其引雷效果优于其它类型和尺寸的避雷针，因此其雷电的防护效果也最好。从结构上讲，传统的避雷针也最适合于舰船使用，它具有结构简单、重量轻、风阻小、安装方便、可靠性高等优点。

2.2 舰船感应雷的防护设计

雷电发生时，在雷击点附近会产生剧烈变化的磁场和电场。在距云对地雷击点10 m的地方，通常磁场的变化率可以达到2.2×109A·m－1·s－1，电场变化率达到6.8×1011V／（m·s），这主要是由于雷电放电产生的电磁脉冲辐射引起的。雷电电磁脉冲辐射的频谱分量可达到30 MHz，主要能量在10 MHz以下。如图6所示。舰船上的通信系统、电力系统、计算机网络系统等都会感应雷电电磁脉冲而受到干扰甚至破坏。舰船系统感应雷的防护措施主要包括限幅、截流、分流、均压、屏蔽、滤波和接地等。

图4 舰船雷电防护设计的模型验证试验

图5 不同种类的避雷针

限幅、截流、分流等雷电保护措施可以由不同的过电压保护装置实现。在选择过电压保护装置时，主要考虑被保护对象的工作电压、系统受雷电危害的威胁等级、雷电对设备工作状态的影响程度等。当系统受到雷电磁脉冲袭击产生瞬时高电压时，过电压保护装置导通或将电压控制在一定的幅度，将大的雷电流引导到地，保护后端的电路。当雷电脉冲过后，过电压保护装置恢复到高阻状态，使线路恢复正常工作。适当选择保护电路的门限电平和通流容量，既可以保证工作信号的正常通过，又可以防止雷电电磁脉冲信号对敏感电路的破坏。舰船上容易感应雷电脉冲的部分主要包括外露的短波／超短波天线、甲板上外露的电源和信号电缆等。因此，在所有短波／超短波通信天线的射频电缆前端或进入舱室之前，均应加装雷电过电压保护装置。通往上层甲板外露较长的电源线、信号线在进入舱室前也要加装雷电过电压保护装置，保护相连接的电子设备，同时防止电磁干扰进入舰船电网或信号网络。此外，良好的接地是过电压保护装置发挥作用的前提。

屏蔽是防止和减小雷电电磁脉冲辐射对敏感电子设备危害的最有效方法之一。由于雷电的电场和磁场均较高，要求屏蔽材料既具有良好的电屏蔽，又具有良好的磁屏蔽效果。通常，采用导磁率较高的钢结构船体能提供较好的磁屏蔽效果。如果是玻璃钢结构的船体，则主要依靠设备的机箱、电缆等自身的屏蔽保护。舰船系统屏蔽的关键在于舱室的孔缝、观察窗、通风孔、设备机箱的孔缝等。舰船上普通的风雨密门、观察窗、通风孔不能提供足够的屏蔽效能，对关键的电子设备必须采用特殊的材料和工艺，提高整体的屏蔽效能。在观察窗口采用高性能的屏蔽玻璃，在通风孔处覆盖金属线编织网，或采用截止波导式阵列通风孔，对屏蔽体的所有缝隙进行良好的焊接、压接、或弹性接触，并对屏蔽体的贯穿导体在入口处进行良好的电连续性处理，都是提高舰船系统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镀一层金属膜或在夹层夹金属丝网，或两种方法同时使用，在屏蔽玻璃的安装过程中，一定要将玻璃内部的金属层与窗框良好电接触，否则会在屏蔽窗的边沿形成电磁泄漏缝隙，影响屏蔽效能。

雷电电磁脉冲具有较宽的频谱特性，采用带限幅器的电磁脉冲滤波器，并进行良好接地，既可以对瞬时浪涌电压进行限位，也可以对雷电带外的电磁干扰能量进行抑制。装有滤波器的设备，可在不影响电路正常工作的条件下，尽量提高高通滤波器的截止频率，或尽量降低低通滤波器的截止频率，增大阻带衰耗，以减小进入内电路的冲击能量。

良好的布局也是减小雷电电磁脉冲感应的重要手段。由于雷电电磁脉冲具有很强的磁场分量，减小系统布局的磁场感应回路面积，可以有效地减小雷电电磁脉冲的危害。如在布局时尽量减小电缆与金属舱壁之间的间隙，将电缆紧靠舱壁或甲板布置，尽量减小电缆的长度；将传输弱信号的敏感电缆尽量远离舱室门洞、窗口、通风开孔等。由于集肤效应的影响，雷电流大部分都是沿导体的外壁流动。因此，桅杆上与天线相连的各类电缆应尽量在桅杆内部敷设，减小因引下线或桅杆上大的雷电流在电缆上的耦合电压。对于封闭式的柱状桅，电缆可以在桅杆内部敷设，而对于桁架桅，则需将电缆穿金属管后，在桁架内部引至船体甲板。如果避雷针的针体为内径足够大的金属管，也可以将电缆从避雷针内部引至船体甲板。

图6 雷电电磁脉冲频谱分布

3 结 语

舰船的雷电防护是舰船总体电磁兼容设计的重要内容，它是一个系统工程，需要设备、系统、总体3个层面的综合考虑。设备需要在器件的选型、机箱的屏蔽、与外部连接端口的处理上考虑雷电脉冲的辐射与传导危害防护；系统则需要在系统内部和外部的连接上采取防雷措施；总体需要考虑全舰直击雷的防护，优化布局减小雷电感应，并采用严格的工艺和相关的防护措施，阻止雷电脉冲进入舰船敏感系统内部。

［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］ 郑生全.雷电防护研究中关于避雷针的一些探讨［J］.电磁兼容性技术，2008（2）：49-54.

［4］ 郑生全，吴晓光，朱英富.舰船平台强电磁脉冲威胁与防护要求［J］.微波学报，2010（增刊）：101-104.

TM153

A

1008-1542（2011）07-0178-05

2011-06-20；责任编辑:冯 民

郑生全（1970-），男，湖北仙桃人，高级工程师，硕士，主要从事电磁脉冲危害与防护方面的研究。