船舶雷电防护技术研究

王 鹏，高金阁，王蕙莹，王 浩，梁 倩，封雅琼(．潍坊市气象局，山东 潍坊 60；．北京市气象局，北京 00089；．国家气象信息中心，北京 0008；．北京市避雷装置安全监测中心，北京 00089)

船舶雷电防护技术研究

王 鹏1，高金阁2，王蕙莹3，王 浩4，梁 倩1，封雅琼1
(1．潍坊市气象局，山东 潍坊 261011；2．北京市气象局，北京 100089；3．国家气象信息中心，北京 100081；4．北京市避雷装置安全监测中心，北京 100089)

摘要：为了能够科学合理地为大型复杂的船体进行雷电防护设计，文章依据雷电形成的过程及特点，分析总结船舶遭受雷电危害可能存在两方面的原因：一种是船舶直接接闪雷电流；另一方面是雷电没有直接击中船舶，而是雷击电磁脉冲对船舶造成的间接影响。最后文章从船舶本身的特殊性出发，提出安装接闪器、引下线和泄流装置的方法防止雷电对船舶造成的直接危害，提出采取等电位连接、屏蔽、接地和安装电涌保护器的方法减少船舶遭受雷电的间接影响，并考虑船舶所处工作大环境提出防护建议。只有合理地采用各种防护措施才能最大限度地避免船舶遭受雷电干扰。

关键词：船舶；雷电防护；电磁脉冲；接闪器

引言

雷电灾害已经被联合国列为最严重的十种自然灾害之一，随着经济社会的发展和现代化水平的提高，雷电灾害的威胁程度及其造成的损失及社会影响越来越大。目前，建筑行业[1-2]、电力行业[3]以及通信行业[4]等都对雷电的防护非常重视，然而，对于船舶的雷电防护资料及措施却很少。

相对于平坦的海面而言，航行在水面上的船舶无疑成为海面上的突出物，因此船舶受到雷击的可能性非常大。1988年6月，某海运局的一艘游轮在大连码头被雷电击中，装在船尾的一个全方位有源电视天线被击落在甲板上，天线上八根金属振子全部被击散。同时，装在室内的电视信号放大器和卫星导航仪中的线路板也被雷电损坏[5]。1991年Thomson对71起船舶遭雷击事件进行分析，结果表明，遭受雷击的所有船舶中有96%出现电子设备的损坏，67%出现明显的船体损坏[6]。以上事例表明，由于船舶本身的特点以及所处的特殊环境导致船舶仍然很容易遭到雷电袭击。因此，进一步认识雷击事故对船舶造成的危害并做好预防是保障航行安全的重要工作。

1 船舶遭受雷电危害的原因

有观点认为海上的船舶与海水有充分的接触，海水会将击中船舶的雷电流泄放入海，所以即使海上航行的船舶被雷电击中，也不会对人身财产造成危害。其实，如果只考虑直击雷击中船体的情况，上述观点尚且可以认为是对的，但是，雷电对船舶造成的威胁不单只有击中船体的情况，一旦雷电击中船上的电视天线、导航系统、通信系统或电气控制系统等设备，或是雷电感应对抗干扰能力较低的设备产生电磁干扰，都会对船舶的安全航行构成严重威胁。所以，文中讲述的船舶雷电防护不单是针对船体本身的保护，还包括船上所有电子设备、通信系统等的全方位保护。

1.1 直击雷的危害

直击雷是指带电雷云与地表面上某一点之间发生猛烈的放电现象。航行在海面上的船舶是海上的尖端，根据尖端放电理论可以知道，在雷电放电发生过程中这些船舶会起到引雷的作用。直击雷的电流峰值可以高达几万～几十万安培，如此强大的雷电流通过被击中的物体时会产生大量的热量。根据焦耳定律可以得到一次闪击的雷电流产热量为[7]：

其中Q是一次雷电的产热量（J）；R是雷电流通道的电阻（Ω）；i是雷电流的大小（A），t是一次雷电持续的时间（s）。在忽略散热的影响时，可以计算得到雷电流通路上由雷电流引起的温升（ΔT）：

其中ΔT是温度升高量（K）；m是雷电流通道物体的质量（kg）；c是形成通道物质的比热容（J·kg-1·K-1）。通过公式（1）和（2）可以证明在一次雷电过程中，通道温度能提升至6000～10000℃，甚至更高。如果船舶上的金属体截面积不够大，那么就有可能导致金属熔化；如果雷电流遇到易燃物质就可能引起火灾。

雷电流沿导体传播时有可能出现反击现象，即遭受雷击的金属物体与其附近的其他物体发生闪络现象，这也会对船舶上的物品造成威胁。

1.2 闪电感应的危害

另外，闪电静电感应也是导致雷击灾害事故的重要原因之一。闪电静电感应是指当雷云来临时船舶上的导体会产生大量与雷电极性相反的束缚电荷，当雷云放电后这些束缚电荷就变成自由电荷，从而产生感应电压。这种过电压往往会造成船舶上的导线、大型金属设备以及与船体连接不良的金属导体放电而引起电火花，进而造成供电通信系统损坏，甚至火灾、爆炸等危及人身安全的严重事故。

1.3 雷击电磁脉冲的危害

最后一种情况是由于雷电放电产生电磁感应进而产生感应电压造成的，其原理如图1所示。

图1　电磁感应原理图

由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围的空间会产生强大的变化电磁场，变化的电磁场会对处在其中的导体产生较大的电动势，这个电势足以使存在开口的金属环气隙（a，b间）放电，放电产生的火花可能引起易燃物品起火或爆炸。当雷电没有直接击中船体而是击打在附近海面时，强大的电磁场可能耦合到船上的电缆线上，感应产生的电动势或电流可能击穿船上的配电箱或电子设备，造成电线短路起火。据统计，雷电对微电子设备和计算机网络造成的破坏有80%左右是由于闪电感应引起的。

2 船舶雷电防护措施

随着电子技术的发展，现代船舶的通信、导航和电气控制等自控系统中大量使用电子信息设备和精密仪器设施，其耐压、过流能力脆弱，一旦这些设备因雷击造成损坏会对船舶安全航行造成极大隐患。所以，为了避免雷电对船舶产生威胁，必须采用外部防雷和内部防雷相结合的综合防护措施。

2.1 外部防雷

船舶的外部防雷，就是应用防直击雷装置（接闪器、引下线和泄流装置）吸引雷电击中自身并将雷电流尽快畅通地泄放到海水中。由于船舶相对海平面而言具有突出的特点，而固定在船体的桅杆通常是整个船的至高点，所以可以利用桅杆上的永久性金属物作为外部防雷的接闪器，杆体内钢筋作为泄放电流的引下线，但是，必须保证桅杆底部与金属船体有良好的焊接或压接，这样就可以利用与海水大面积接触的船体作为泄流装置。

然而每一个接闪器都只能保护一定的区域，因此，只依靠船舶上的桅杆是不可能保护整艘船的，所以还需要在船舶的其它地方架设接闪器。根据现代船舶的通信设施放置在船尾建筑上的特点，可以在这些建筑物面向海洋的两个方向上加设接闪器。虽然船头一般没有各类设施，但是人员走动及物品堆放相对集中，这些船载物一般会高出船周围的围栏，所以应该在船头设立接闪杆加强对船头物品及人员的保护。值得注意的是，所有的接闪器下部都必须通过金属导体与船体本身进行良好的接触，以保证为雷电流提供畅通无阻的泄放通道。

上述接闪器的高度可以根据需要保护的范围进行计算得到，比较准确的一种计算方法是滚球法，该方法的计算公式为[8]：

其中R是雷击距离，即滚球半径，IP是雷电流峰值，r是地面保护半径，h是接闪器高度，rx是高度为hx平面上的保护半径。由公式（3）～（5）可以计算得到接闪器的保护外边界。接闪器架设的数量要根据所有接闪器保护外边界可以将整艘船舶笼罩的原则进行确定。

在整艘船舶已经处于接闪器保护的情况下，一些船载设备或危险物品要放置在离接闪器引下线安全距离之外的地方，否则当雷电击中接闪器之后，强大的雷电流通过引下线泄放入海的同时可能会产生雷电反击，从而对船载设备造成损坏或引起引下线周围物体的燃烧甚至爆炸。所以确定接闪器的保护内边界也至关重要[9]。

接闪器在被雷电击中之后，引下线上任意高度hm处的电位是电阻压降和电感压降之和[9]，即：

其中Rm是接闪器接地装置的冲击电阻，L是接闪器引下线的单位长度的电感，是雷电流陡度。根据雷电反击原理可以得到被保护物与接闪器引下线之间的距离d要满足[9]：

其中ER和EL分别是电阻和电感电压降的空气击穿强度。通过公式(3)～(7)就能够得到如图2所示的经过修正的接闪器保护范围。

图2　经过修正的接闪器保护范围

在船头或船尾建筑物上架设传统接闪器可能会影响整艘船舶的美观，可以用架设照明灯灯杆的方法替代传统接闪器，达到既可以防护直击雷又不会影响船舶美观的目的。

2.2 内部防雷

雷击电磁脉冲引起强烈变化的辐射电磁场会对船载设备造成干扰或损坏，这也是船舶内部防雷的重点。其主要措施包括等电位连接、屏蔽、接地和安装电涌保护器。

等电位连接就是将船舶上分开的装置、导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电势差。为了使得船舶上内部防雷的可靠性提高，应该在驾驶舱以及其他舱室内设置等电位连接端子，将所有设备机壳、电源PE线、电涌保护器接地线以及较大金属物就近连接到端子或等电位连接线上，值得注意的是，这些等电位连接端子必须连接在和海水充分接触的船体上。

对船舶上的电子设备进行电磁屏蔽就是利用屏蔽材料将这些设备封闭起来，使得船载电子设备尽可能小地遭受雷击电磁脉冲的影响。由于雷电产生辐射电磁场很强，所以要求屏蔽材料不但要具有良好的磁屏蔽，而且还要具有良好的电屏蔽效果。船上的舱室和设备的机箱可以起到一定的屏蔽作用，但是对于敏感的电子设备而言，舱室的观察窗以及设备的通风孔都不能提供屏蔽效能，因此，必须通过特殊处理来提高舱室和机箱的屏蔽效果。对于观察窗可以采用高性能的屏蔽玻璃，且安装时必须将内部的金属层与窗框良好接触，而通风孔可以采取截止波导式阵列通风孔的方式来增强屏蔽效果。

由船体引入各舱室的电子设备的线缆应当采用屏蔽线缆，屏蔽线缆应当两端接地，当只允许单端接地时，应当采用双层屏蔽措施，外层屏蔽应当两端接地。

船载设备拥有良好的接地系统是减少雷电对其造成危害的有效方法，事实上，由于船体与海水可以时刻保持充分接触，且船体本身是一个良导体，所以可以利用船体本身作为共用接地系统。为了减少雷电对电视天线、卫星导航天线和雷达天线等船载设备的威胁，必须将这些设备与船体进行良好的接触。

对船载设备造成威胁的闪电电涌主要通过交流、直流电源或与室外连接的信号控制线传导进入电子设备内部，对微电子设备造成损坏。从这个角度出发，可以采用在电子设备的交流、直流电源端口和信号控制端口安装电涌保护器的方式对设备进行保护。但是，对于不同的设备要选择合适的电涌保护器，保证在没有雷击电磁脉冲时设备可以正常工作，而当闪电电涌沿线路传播时可以起到限压、分流的作用。船舶上容易感应雷击电脉冲的设备包括外露的电源线、信号线和短波天线等，所以在这些线缆进入舱室的位置处都要安装适配的电涌保护器件，从而有效防止闪电电涌由电源或信号线路进入船舶设备，并达到保护电子设备的效果。

为了使船舶尽可能少地遭受雷击电磁脉冲影响，应该综合利用上述几种内部防雷措施，并使它们发挥最大的防雷作用，从而保障船舶在海洋上的安全航行。

2.3 其他建议

投入使用的船舶往往处于比较潮湿、风力强劲的工作大环境中，这种环境非常容易引起作为防雷装置的金属物腐蚀锈断，所以应该重视船舶上的防雷装置的完好，特别是进入雷雨多发季节前，应该提前对船舶的避雷装置进行认真、细致的检查、检测和保养，确保外部避雷装置从上到下电气导通，尤其是连接部位要牢固，避雷装置的电阻值要符合规定要求，这样才能有效地预防雷电。

船舶上的工作人员在遇到雷电天气时，应尽可能的少在甲板上逗留，最好呆在房间内，并关好门窗；不宜使用水龙头；切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗和船体，远离电线等带电设备或其他类似金属装置；避免使用手机。

3 结语

航行在世界各个海域的船舶是海面上明显的突出物，且现代船舶上都装有很多抗干扰能力较弱的精密仪器，由于船舶存在这两个特点，大大增加了其遭受雷电直接或间接危害的概率。所以对现代船舶进行雷电防护应该是一个综合性课题，要同时注重外部防雷和内部防护。对于船舶的外部雷电防护措施主要包括接闪器、引下线和泄流装置，而内部防雷措施包括等电位连接、屏蔽、接地和安装电涌保护器，只有将这些措施配合施行才能为船舶航行提供最可靠的保障。

参考文献：

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[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，（GB50057-2010）建筑物防雷设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社，2011：66-67.

[9] 高云鹏，章程，李鹏飞. 关于独立避雷针保护内边界问题的探讨[J].科学之友, 2011，（5）：48-49.

作者简介：王鹏（1987—），男，陕西大荔人，本科，助理工程师，主要从事雷电防护科学与技术工作。

收稿日期：2014-07-01

中图分类号：S429

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2015）01–0032–04