雷電防護(hù)在船舶中的應(yīng)用探討

陸 洋，孫國(guó)亮，左紅穩(wěn)，肖海瑞

(63680部隊(duì)，江蘇 江陰 214431)

據(jù)報(bào)道，船舶雷擊事件時(shí)有發(fā)生，并造成人員傷害和設(shè)備損失。同時(shí)，船舶雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)少、不細(xì)致、革新慢，或直接參照其它標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)為不受重視，甚至不做強(qiáng)制執(zhí)行。軍船一般都要求直擊雷防護(hù)，但對(duì)于感應(yīng)雷的防護(hù)缺少相關(guān)規(guī)范或有力措施[1-3]。本文通過(guò)分析船舶雷擊的分類及后果，闡述現(xiàn)行防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)船應(yīng)用狀況，探討雷電防護(hù)的不足之處和發(fā)展方向。

1 船舶雷擊分類

通常，根據(jù)雷擊特點(diǎn)及其危害方式，將船舶雷擊分為直擊雷、感應(yīng)雷和接地雷[1]。

直擊雷指雷電直接擊中設(shè)備、線路或船體結(jié)構(gòu)，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成設(shè)施損壞及人員傷亡，其危害程度與物體電流傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)的性能相關(guān)[1-4]。船舶的金屬船體和桅桿為雷電起到良好引導(dǎo)作用，并形成低阻抗通道導(dǎo)入大海，危害較小；而玻璃鋼船體或具有天線罩或木質(zhì)桅桿、旗桿的船舶，雷電襲擊時(shí)會(huì)遭受嚴(yán)重破壞。

感應(yīng)雷是雷電引起的電磁輻射效應(yīng)，即雷電產(chǎn)生電磁脈沖輻射并與船載設(shè)備相互作用的現(xiàn)象。大氣雷電電磁脈沖是對(duì)船舶平臺(tái)的敏感系統(tǒng)構(gòu)成危害的強(qiáng)電磁脈沖源之一[5]。

接地雷是由直擊雷引起的。當(dāng)雷電對(duì)桅桿等高點(diǎn)放電時(shí)，雷擊電流通過(guò)船體向海面擴(kuò)散，雷擊處(高壓)與較遠(yuǎn)設(shè)備(低壓)之間會(huì)產(chǎn)生很大電位差，電流從高壓處流向低壓處；當(dāng)設(shè)備接地不良時(shí)，高電位差導(dǎo)致設(shè)備遭到電擊損壞。

2 船舶雷電防護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

目前國(guó)內(nèi)船舶雷電防護(hù)常用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有：《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)、GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》、GB 50057-2019《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》和CB/T 3667.3-2014《船舶電纜敷設(shè)和電氣設(shè)備安裝附件接地件》等。此外，還有GB/T 18573-2009《小艇 電氣裝置 避雷保護(hù)》(艇體長(zhǎng)度小于24 m的小艇避雷保護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和安裝要求)。

不同國(guó)家船舶雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，即使在同一國(guó)家，標(biāo)準(zhǔn)歸口組織、起草單位、頒布機(jī)構(gòu)不同，規(guī)定內(nèi)容、適用范圍及實(shí)施結(jié)果也存在差別。以美國(guó)為例，防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是由不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的，如美國(guó)船舶和帆船理事會(huì)、海岸警衛(wèi)隊(duì)和國(guó)家消防協(xié)會(huì)等。再如我國(guó)的《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)一般適用于民船，軍船也會(huì)參考，而GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》一般都用于軍船。

此外，相對(duì)其它行業(yè)，船舶雷電防護(hù)缺乏完善、細(xì)致的綜合防護(hù)規(guī)范內(nèi)容。在GB 50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中，詳盡規(guī)定對(duì)電子信息系統(tǒng)采取的外部、內(nèi)部綜合防護(hù)措施，建筑物電子信息系統(tǒng)綜合防雷系統(tǒng)見圖1。

圖1 建筑物電子信息系統(tǒng)綜合防雷系統(tǒng)

3 船舶雷電防護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀

除適用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范匱乏外，船舶雷電防護(hù)應(yīng)用起步較晚、發(fā)展較慢、普及度低，而在其它領(lǐng)域，如建筑物、礦井等場(chǎng)所，船閘、港口機(jī)械等設(shè)施的防雷都有較為廣泛的研究和成熟的應(yīng)用。

目前，鋼質(zhì)船舶雷電防護(hù)多采用安裝避雷針的方法。避雷針發(fā)展至今種類繁多，除傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針還有電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、半導(dǎo)體消雷器和提前流光發(fā)射空氣端子等，但船用環(huán)境要求避雷針構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便、風(fēng)阻小、重量輕，不影響船體結(jié)構(gòu)，富蘭克林避雷針更為適用。實(shí)際上，很多船舶的避雷針就是桅桿頂端伸出一根尖頂圓鋼，用于防護(hù)直擊雷，但對(duì)感應(yīng)雷很少采取針對(duì)性防護(hù)措施。

除加裝避雷器外，文獻(xiàn)[1]～[4]針對(duì)船舶防雷措施的缺失提出應(yīng)對(duì)策略。如表1所示，有的對(duì)策已經(jīng)應(yīng)用，有的措施本意并非為防雷，客觀上卻起到防雷效果。雷電防護(hù)實(shí)施情況會(huì)因船舶任務(wù)性質(zhì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建造方式、生產(chǎn)成本不同有所差異。

3.1 民船雷電防護(hù)應(yīng)用狀況

民船標(biāo)準(zhǔn)不要求鋼質(zhì)船強(qiáng)制執(zhí)行防雷規(guī)定，《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)中規(guī)定：“對(duì)金屬結(jié)構(gòu)船舶，由于其桅、構(gòu)件和船體構(gòu)成了固有的對(duì)地低電阻通路，故不需另設(shè)避雷系統(tǒng)”，國(guó)外船級(jí)社的規(guī)定與此類似。業(yè)內(nèi)存在共識(shí)：鋼質(zhì)船無(wú)需裝防雷裝置，其船身就是良好等電位屏蔽體，對(duì)雷擊能自然接閃、分流，與水接觸的船體會(huì)快速釋放電荷，并能屏蔽雷擊電磁脈沖，保護(hù)人員、設(shè)備安全。如果船東無(wú)要求，設(shè)計(jì)所、船廠、設(shè)備廠一般都不會(huì)設(shè)計(jì)、加裝雷電保護(hù)裝置或雷擊抑制器。由于淡水導(dǎo)電接地中介作用不如海水，淡水中船舶更易遭受雷擊，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)弗羅里達(dá)州西南部每年有3%的游艇遭受雷擊損壞，其中大部分沒(méi)有安裝防雷裝置。

表1 船舶雷電防護(hù)對(duì)策和實(shí)際應(yīng)用情況比較

盡管救生艇、救助艇等采用玻璃鋼等非金屬材質(zhì)，但噸位小、航程短，也少見配置避雷器。少數(shù)特種船，如裝有可燃液體的船舶，若遭遇雷擊可能出現(xiàn)災(zāi)難性后果，此類船舶通常配有避雷裝置。

船用雷達(dá)常用防雷措施是在開關(guān)機(jī)時(shí)通過(guò)繼電器控制天線和設(shè)備之間的通斷。按下啟動(dòng)按鈕，繼電器線圈通電，其常開觸頭閉合，天線和設(shè)備接通；在惡劣天氣情況下，按下停止按鈕，繼電器線圈斷電，其常開觸頭斷開，天線和設(shè)備隔離。此外，有的雷達(dá)系統(tǒng)采取天線和設(shè)備間加裝隔離開關(guān)的方法，雷雨天氣時(shí)人為將天線和設(shè)備物理隔離。

3.2 軍船雷電防護(hù)應(yīng)用狀況

國(guó)內(nèi)軍船雷電防護(hù)一般依據(jù)GJB 4000-2000《艦船通用規(guī)范》或參考民用標(biāo)準(zhǔn)?！杜灤ㄓ靡?guī)范》規(guī)定“若船體和桅桿相互直接連接，桅桿頂端直徑符合不小于12 mm(銅桿)和25 mm(鋼桿或鐵桿)的要求，則桅桿可作為避雷裝置。桅桿上的電氣設(shè)備在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，則無(wú)需另行安裝避雷針?！笨梢姡姶⒎菑?qiáng)制安裝避雷器，而是依船體結(jié)構(gòu)而定。但有的新型船舶采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)或橡膠涂層以減輕船體重量或提高隱身性能，其船體和水面絕緣，當(dāng)雷電擊中桅桿或天線時(shí)會(huì)將電流引入設(shè)備，此類船舶須配備防雷設(shè)施。

某船曾遭受雷擊，主桅附近電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞[5]?？紤]金屬桅桿對(duì)雷達(dá)及天線影響，該船的桅桿小桅采用非金屬玻璃鋼材質(zhì)，分布著大量的敏感電子設(shè)備，安裝避雷系統(tǒng)就顯得十分必要。小桅以下部分桅桿和船體為金屬材料，可作為避雷裝置引下線，即前桅頂端天線用兩根軟銅線連接后自左右舷分別引至下方金屬桅桿，并保證桅桿可靠接地。這種以天線作避雷針的方法要求天線本身無(wú)敏感元件，在雷雨天氣可切斷天線與設(shè)備的連接。

軍船對(duì)電磁環(huán)境防護(hù)向來(lái)重視，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較多，有HJB 34A-2007《船舶電磁兼容性要求》、GJB 1046-1990《船舶搭接、接地、屏蔽、濾波及電纜的電磁兼容性要求和方法》、GJB/Z 36-1993《船舶總體天線電磁兼容性設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、GJB 1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》等。軍船設(shè)計(jì)時(shí)以此為據(jù)，制定適用本船的電磁兼容方案。其中部分標(biāo)準(zhǔn)涉及雷電電磁脈沖防護(hù)；《系統(tǒng)電磁兼容性要求》提出“對(duì)于雷電的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，系統(tǒng)都應(yīng)滿足其工作性能的要求”，而且明確規(guī)定直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的雷電環(huán)境數(shù)據(jù)，要求“符合性應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和部件(如結(jié)構(gòu)件和天線罩)級(jí)試驗(yàn)、分析或其組合來(lái)驗(yàn)證。”所以，各系統(tǒng)、設(shè)備都應(yīng)采取雷擊防護(hù)措施。

軍船設(shè)計(jì)建造中對(duì)電磁兼容的控制、電磁環(huán)境的改善和電磁干擾的抑制有利于減少雷擊效應(yīng)的影響，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1)天線合理布置，減少相互間耦合，避免電磁輻射危害電子設(shè)備。

2)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和艙室設(shè)置遠(yuǎn)離船上的輻射源，并注意避免電磁干擾，如對(duì)艙室做屏蔽處理。

3)艙面設(shè)施接地良好。

4)金屬管系安裝做屏蔽處理，如金屬管路在貫穿甲板或艙壁至露天部位及進(jìn)入屏蔽艙室時(shí)，在貫穿處應(yīng)環(huán)焊或通過(guò)法蘭接地。

5)電纜選擇及敷設(shè)工藝要滿足既定電磁環(huán)境，圖2是電纜進(jìn)入屏蔽艙室施工工藝，將穿過(guò)電纜筒的電纜在其兩端各剝?nèi)ヒ徊糠肿o(hù)套，中間沒(méi)有剝掉護(hù)套的一段電纜在電纜筒內(nèi)用具有屏蔽特性的套管填滿，最后在電纜筒兩端填充耐火密封膠。

圖2 電纜進(jìn)入屏蔽艙室施工工藝

6)電氣電子設(shè)備采取船用環(huán)境接地形式。

7)交直流電源保證電能品質(zhì)，特種設(shè)備采用獨(dú)立供電模式，并在配電線路裝有隔離變壓器和濾波器，避免系統(tǒng)間電磁干擾，見圖3。

圖3 特種設(shè)備的獨(dú)立供電系統(tǒng)

3.3 民船、軍船雷電防護(hù)應(yīng)用狀況比較

民船與軍船在任務(wù)用途、參照標(biāo)準(zhǔn)、建造模式和生產(chǎn)成本等方面區(qū)別很大，對(duì)雷電防護(hù)的重視程度也有差異。相對(duì)于軍船，民船對(duì)于雷電防護(hù)的要求較低，很多民船沒(méi)有采取防雷措施。軍船一般加裝避雷針用于直擊雷的防護(hù)；雖然針對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)措施尚不完善，但特有的電磁兼容設(shè)計(jì)有利于抑制雷電間接效應(yīng)。表2為民船和軍船雷電防護(hù)情況的比較。

表2 民船和軍船雷電防護(hù)情況比較

4 船舶雷電防護(hù)研究方向

近年來(lái)隨著海洋權(quán)益爭(zhēng)端升溫、船舶技術(shù)更新發(fā)展和電磁脈沖利器突破應(yīng)用，人們認(rèn)識(shí)到船舶平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)是提高戰(zhàn)時(shí)生存能力和攻防作戰(zhàn)效能的重要保證，進(jìn)而高度重視船舶雷電防護(hù)并開展大量研究。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在以下兩方面。

1)船舶雷電防護(hù)方式的改進(jìn)完善。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的有《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的滾球法和《艦船通用規(guī)范》方法；國(guó)外有集合體積法、圓錐保護(hù)法(英、美等國(guó))、軍標(biāo)方法(俄羅斯)等。研究人員根據(jù)船舶雷擊事故分析、模型試驗(yàn)及理論創(chuàng)新，研究現(xiàn)行方法的失效情形并改進(jìn)不足。

2)船舶平臺(tái)雷電電磁兼容的深入探索。研究人員認(rèn)為[6]，強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)須從強(qiáng)脈沖耦合規(guī)律入手，研發(fā)綜合防護(hù)技術(shù)與集成防護(hù)策略，包括根據(jù)系統(tǒng)特性及平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究電磁屏蔽、組合濾波、限幅與旁路、搭接接地、總體結(jié)構(gòu)布局與新材料應(yīng)用等防護(hù)技術(shù)，并在所有耦合通道上采取新型防護(hù)策略。

5 結(jié)束語(yǔ)

船舶雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)因制定的國(guó)別、機(jī)構(gòu)不同而存在差異，其中防護(hù)類型、計(jì)算方法、設(shè)計(jì)參數(shù)等要素直接關(guān)系到避雷裝置的選用，安裝位置的確定，防雷效率的提高及人員設(shè)備的安全。鋼質(zhì)船普遍被認(rèn)為自身具有避雷作用，所以雷電防護(hù)并不受重視，標(biāo)準(zhǔn)多年一成不變，甚至不做強(qiáng)制執(zhí)行。與民船相比軍船對(duì)雷電防護(hù)要求較高，而且軍船電磁兼容設(shè)計(jì)也有助于消減雷擊不利影響。

隨著船舶自動(dòng)化程度的普遍提高、電子信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及海上戰(zhàn)力提升的迫切需求，雷電電磁脈沖防護(hù)的重要性日益突出，為此開展了船載構(gòu)件電磁脈沖耦合通道防護(hù)、船舶平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及信息設(shè)備新材料應(yīng)用等課題。這些研究成果將催生新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范的出臺(tái)，推動(dòng)設(shè)備研制水平、船舶建造質(zhì)量的提升，保證船舶雷電防護(hù)效能的充分發(fā)揮。