油船接闪器的保护范围分析

2020-12-07蒋晓亮

江苏船舶 2020年5期

蒋晓亮，王月

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

雷电是一种大气云层的强烈放电过程，有着极强的破坏性和危害性，全球每年都会发生大量的雷击灾害，而对于长期航行在海洋中的船舶，尤其是运输原油或其产品的油船，需要更加重视对雷电的预防工作，避免人员伤亡、船舶设备损坏等事故发生。为此，本文以阿芙拉型油船为研究对象，采用折线法和滚球法，计算其接闪器的保护范围，并对结果进行分析，提出适合油船雷电防护的设计方案。

1 雷电对船舶的危害

根据雷电对船舶的危害方式，可将其分为感应雷和直击雷2种类型。

1.1 感应雷

雷击放电时，会在短时间内产生大幅度的电流，在空间中产生迅速变化的磁场，使在磁场中的导体感应出较大的电动势。当导体处于闭合状态时就会产生很大的感应电流，从而对电子设备造成干扰和损坏。目前大多数船舶为钢质船，其本身的金属外壳会对内部的电力系统和电子系统能起到良好的屏蔽作用，从而减小雷电对设备的损坏，同时船上设备及线路往往都设有保护措施，用以防止过大的电流和电压。因此，感应雷电对船舶影响不大。

1.2 直击雷

带电云层对目标物体发生激烈的放电行为，其能量巨大，且时间非常短暂，放电电流最高可达几百千安、电压几百万伏，对释放的物体将产生破坏性很强的机械效应、热效应及电效应，能够对船舶造成直接的损坏。尤其是油船，在运输易挥发性油时，油气需要通过排气系统的透气管排出，因此在主甲板面上设置了大量的透气口。对于汇集成一根总管的公共透气管，为了安全考虑都会将其透气管口设置在尽可能高于甲板的位置，一般会布置在公共透气桅上。这些高耸在甲板面上的金属透气管，很可能在雷雨天引发直击雷，造成油气泄露，甚至引起爆炸，所以对直击雷的防护是重中之重。

2 保护范围计算方法介绍

常用的防雷装置为接闪器，能够起到引雷的作用，并将雷电流通过引下线和接地装置泄流至大地，从而保护周围的物体，避免直接雷击[1]。根据中国船级社(CCS)规范，船用的接闪器需满足以下要求：

(1)接闪器由直径不小于12 mm的铜或铜合金导电杆组成，并至少高出桅顶300 mm；也可采用其他材料，如不锈钢、铝合金、经防锈处理的铁杆等，但应保证接闪器与接地端子间的电阻不超过0.02 Ω。这些材料均应耐海水腐蚀。

(2)对于液货船，位于桅杆顶端或其附近的可燃气体通风口应由接闪器进行保护。接闪器应高出通风口至少2 m。

然而接闪器也是有一定的保护范围的。考虑到计算中数据基准的一致性，通常选取船舶主甲板作为所有计算的基准面。本文主要研究折线法和滚球法计算接闪器的保护范围。

2.1 折线法

折线法的保护范围是一个以接闪器为轴，针尖为顶点的折线形成的圆锥体，椎体的母线由2条折线构成。地面上的保护范围是一个半径为1.5P(P为接闪器高度影响系数)倍接闪器高度的圆。在被保护物高度的平面上，保护范围由下式确定：

当hx≥h/2时，rx=(h-hx)P

(1)

当hx

(2)

目前，我国建筑物的防雷保护范围计算大部分采用折线法，但是它有以下2个缺点：

①根据公式可以看出接闪器的高度越高则保护范围越大，但不适用于侧击雷保护范围的计算；

②计算的结果与雷电流幅值的大小无关，因此这一模型并不完全符合实际情况。

2.2 滚球法

滚球法的算法是基于电气几何模型。首先假想一个半径为r的球沿着需要保护的物体周围滚动，当球体只接触接闪器和地面，包括与地面接触并能够承接雷击的金属物，而没有接触到需要保护的物体时，则认定该物为得到了接闪器的防护。球的半径r与雷击范围和雷电流大小有关，雷电流越大，受雷击影响的范围越大，则半径越大[2]。根据几何学，当接闪器高度不变时，滚球半径r越大，则该接闪器保护的范围越大，反之则越小。保护范围由下式确定：

(3)

(4)

式中：r为滚球半径。

滚球法首先被美国使用，之后为欧洲等国家采纳，最后成为国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法。该方法能够判断被保护物侧向能否得到保护，而且保护的范围受雷电流大小影响，所以被许多专家认可，但也有人认为该方法的计算结果过于保守。

3 接闪器保护范围的实例计算

以阿芙拉型油船为实例，分别采用折线法和滚球法来计算其接闪器的保护范围，并对结果进行分析，对比两者间的差异。

阿芙拉型油船的主甲板面竖立1座公共透气桅，透气口设在顶部。为防止雷击，需在其周围布置接闪器。该接闪器的布置主要考虑以下2点：

①避开透气口处有可燃气体产生的危险区域；

②当雷电流通过接闪器时，会产生非常高的电压，对周围被保护的物体产生巨大的电位差，从而击穿空气。

因此建议透气口所在高度平面的保护范围半径应不小于3 m。

3.1 折线法

一般情况下船舶接闪器高度h≤30 m，高度影响系数P=1。接闪器保护范围见图1。为了保护透气管，在被保护物高度平面上的保护范围半径rx≥3 m、透气口高度hx=6.384 m。通常透气管高度不会小于接闪器高度的一半，将以上数据代入式(1)，可以得到h≥9.384 m，即采用折线法计算，接闪器的高度不小于9.384 m。

图1 折线法保护范围

3.2 滚球法

根据IEC 62305标准，雷电防护等级(LPL)分为4个等级，通常考虑将油船归为最高的I级，与该等级相对应的滚球半径r=20 m。接闪器保护范围见图2。在被保护物高度平面上的保护范围半径rx≥3 m，透气管高度hx=6.384 m。滚球半径通常大于接闪器高度，将数据代入式(3)，可以得到h≥10.587 m，即采用滚球法计算，接闪器的高度不小于10.587 m。

图2 滚球法保护范围

3.3 滚球法与折线法对比

为更加直观对比2种方法在被保护物高度平面上的保护范围，同时计算当接闪器高度为9.384 m时采用滚球法的保护范围，以及当接闪器高度为10.587 m时采用折线法的保护范围(见表1)。

通过以上数据结果发现，对于油船上同一高度的透气桅，要达到相同的保护效果，用滚球法计算出的接闪器高度为10.587 m，而用折线

法计算出的高度仅为9.384 m。另外，在装有同样高度接闪器的情况下，采用折线法计算的保护范围要比滚球法计算的保护范围大。

表1 不同接闪器高度下的保护半径

为了更好地对比2种模型的保护范围，比较2种计算方法随着接闪器高度变化而变化的趋势，假定同为保护高度为6.384 m的公共透气桅，2种模型的接闪器高度与保护半径的关系见图3。随着接闪器高度的增加，两者保护范围之间的差值越来越大：滚球法考虑了物体遭受侧向雷击的可能，而折线法则忽略了这一点。另外，滚球法对于不同的雷电流幅值，其对应的球体半径也不一样，而折线法则没有考虑雷电流幅值的因素，这也与实际情况不符。