雷电袭击对船舶电气设备的危害及防范措施

大连中远造船工业有限公司 韩建明

在海上航行的各类船舶在雷雨季节极易发生由于雷电袭击而引发的电气设备损坏的情况。尤其是远洋航行的船舶，由于身在航行中，无法及时维修和更换损坏设备，在一定程度上增加了危险事故发生的几率，并增加了航运的成本。因此，造船厂在进行船舶电气系统设计的时候，必须全面、谨慎地考虑到如何减少雷电袭击给船舶带来的危害。

一、雷电的形成及特点

雷电是一种大气中的放电现象。云团中的某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，当这些电荷积聚到一定程度时便会产生放电现象，这种现象就是雷电。放电现象有的在云层与云层之间发生，有的则在云层与大地之间发生。后一种情况即落雷，会对船舶造成严重的威胁。

雷电的特点：（1）冲击电流大，其电流高达几万至几十万安培。（2）时间短。整个过程一般不会超过60μs。（3）频率高。其电流变化梯度大，有的可达10 kA/μs。（4）冲击电压高，强大的电流产生的交变磁场，其感应电压高可达上亿伏。

二、雷电袭击的种类和危害

1.直击雷

直击雷是直接击中电气设备、输电线路及船体构造物后，因电、热及机械效应等造成对设施破坏及人员伤害的一种雷电袭击，其最大电流可达300 000 A。当雷电直接击中设备时，其产生的破坏力达100 000 kW。直击雷强大的能量对电气线路的威胁最为严重，但是发生的可能性较小。此种情况下，雷电击中船体构造物的电流只有极小部分通过船体进入电气设备，大部分会通过船体结构流至海洋。

2.击地雷（“地”指船体）

在海上航行的船舶，由于其为该处的最高部位，所以容易受到雷电的直接袭击。而船上的各类桅杆则更易遭到雷电袭击。当雷电直接击中该类位置时，由于其与船体直接连接，且船体自身的阻值很小，故经过船体的电流会十分巨大。受到雷电袭击的位置所产生的电压可以用下列公式计算：雷电袭击处电压=雷击本身的电流×接地电阻。假设雷击本身的电流为30 kA，接地电阻的阻值为10 Ω，则雷电袭击处电压会达到30 kA×10 Ω=300 kV，该电压也会随着距离增加而逐渐减弱。

船上各种电气设备的外壳都设置有接地保护，雷电袭击产生的电流会在临近的设备外壳和内部元件之间产生较高的电压，从而使内部电气元件损坏。

雷电袭击处附近的设备与距雷电袭击处较远的电气设备会由于电压不一致而产生较大的电位差。在较远位置的电气设备在没有可靠接地的情况下，与船体之间会存在一定的电位差，从而直接导致电气设备损坏（如图1所示）。

3.感应雷

感应雷主要是带电云团对带电导线产生感应电压所导致，其发生几率要远远超过直击雷。由于其对带电导线感应方式的不同，可以分为两种形式，即静电感应雷和电磁感应雷。

（1）静电感应雷

雷电云团形成后，在其下部负电荷静电感应的作用下，船舶上大量的正电荷会通过设备与船体间的接地，从船体各部汇集到带电导线上。当雷电云团放电时，其下部的负电荷会迅速得到释放，而带电导线上被雷电云团电场负电荷所束缚住的正电荷会失去约束，瞬间发生释放，在带电导线中形成较强的电脉冲，从而诱发了雷电袭击（如图2所示）。

（2）电磁感应雷

在雷电云团放电的时候，其异常强大的电流会产生强大的电磁场，在其周围的带电导体中产生极高的感应电动势，从而引起雷电袭击（如图3所示）。

三、三种雷电袭击的比较（见表1）

表1 三种雷电袭击的比较

四、电气设备的耐压

目前，各类船舶的自动化水平日益提高，弱电设备的应用也日益广泛，而弱电设备的运行电压一般较低，这也导致了其对电磁干扰与电压波动有一定的要求。当船舶遭受雷电袭击时，电力系统会受到强电磁干扰，其会通过感应、传导及辐射等途径被导入至内部元件中。当发生干扰的程度大于各类元件与回路可以承受的水平时，会导致其处于不正常的状态，如误动作、误报警或者失效等诸多不良后果。如果导入的强度较高，会直接导致元件烧毁，对船舶航行的安全产生巨大的影响。

五、防止雷电袭击的措施

（1）船体构造中的桅杆及各类舾装品支架等物品要做到接地连接可靠，使雷电袭击产生的强大电流能够迅速被传导至海洋中。

（2）对于船舶上的各类电气设备要做到接地保护可靠，达到平衡的电位差。避免雷电袭击产生的强大电压而引发的电位差异破坏电气设备。

（3）对于船舶暴露区域布设的电缆，其铠装要做到接地处理可靠，必要时要加设保护盖板防止雷电直接击中。对于弱信号的电缆，要选择带有屏蔽层的型号来加强对电缆的保护作用。

（4）对于电气设备安装在内部的设备，如果其电缆需要路过暴露区域，其电缆的铠装及屏蔽层也需要做好可靠的接地保护，便于雷电袭击产生的电流能够直接通过船体导入海洋。

综上所述，具体的防范措施如下：

（1）使用有金属铠装及屏蔽的电缆，并有可靠的接地处理（如图4“A”）。

（2）各电气设备要有可靠的接地处理（如图4“B”）。

（3）弱电回路与动力回路要尽量分开布设。

（4）必要时在回路中设置浪涌保护器，快速释放雷电产生的能量，保护电气设备免受损坏（如图4“C”）。

六、结 语

雷电袭击给船舶航行的安全带来了巨大的影响，但防御雷电袭击本身也是一个比较复杂而又必要的工作，这需要在船舶的设计阶段深刻了解各种雷电袭击的特性，并合理地对电缆的布设、保护、屏蔽等进行考虑，在制造和维修环节更要切实做到接地连接的可靠。这样才能有效避免雷电袭击给船舶航行带来的威胁，保证各类设备的正常运转。