舰船雷电防护

舰船雷电防护

1.研究背景

舰船在海平面上航行时，当遇到比较恶劣的雷暴天气，与平坦的海平面相比，舰船自然就成为了诱导带电云层放电的唯一的突出物，因此航行在海上的舰船受到雷击的机会就比较多。对于大型舰船，太高的避雷针安装在桅杆上从结构和总体性能上不现实，桅杆上的避雷针可能无法对全船进行保护，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。雷电对舰船的作用包括直接效应和间接效应。直接效应指雷电直接击中舰船，雷电流传导产生巨大的电磁效应、热效应、机械效应等对舰船结构、组件及设备造成的破坏。间接效应指不管雷电是否直接击中舰船，雷电通道对周围设备都会产生电磁脉冲干扰，在电气电子设备端口及线缆上产生瞬态感应，造成设备的失效或损坏。舰船一旦受到雷击，舰船的结构、组件、部件、设备以及人员将会受到严重危害。现代舰船通信导航设备中大量应用了电子信息设备和精密仪器设备，而这些设备的耐过高压的能力比较脆弱，一旦遭到雷击，将会损坏，造成系统瘫痪，给舰船安全航行带来极大影响。

目前国内关于舰船雷击的研究还停留在理论阶段，主要包括雷电对舰船的直接、间接效应以及雷电防护设计。我国GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中，明确要求“电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护”。GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》规定避雷针防护区域采用滚球法评估。GJB4000-2000《舰船通用规范》规定了舰船避雷针的材料、长度和直径，及其与桅杆的连接，避雷针保护半径的计算，避雷针的接地装置。GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》也明确要求：对于雷电的直接效应和间接效应，系统都应满足其工作性能的要求。当在暴露状态下，经受一个邻近的雷击以后，或者贮存条件下经受一个直接雷击以后，军械应满足其工作性能要求。在经受暴露条件下的直接雷击期间和以后，军械应保证安全……符合性应通过系统、分系统、设备和部件（如结构件和天线罩）及试验、分析或其组合来验证。国内采用GJB4000-2000《舰船通用规范》规定的双曲函数进行舰船单根避雷针的安

装设计，但是无法对全船进行直击雷电防护。而且对于雷电间接效应对舰船的危害，也尚未有较好的防护措施。

2.舰船雷电防护设计及验证

舰船雷电防护设计有直接效应防护和间接效应防护两方面。对于雷电直接效应，需要在雷电优先附着点和大地之间提供一个低阻抗通路，将雷电流安全释放。低阻抗通路具有机械强度高、通流能力强的性能，由避雷针、引下线和雷电接地端构成。雷电间接效应防护设计较复杂，对于金属舰船，为了减小或者尽可能避免感应电压，桅杆上线缆与引下线平行，且尽可能在桅杆内放置。复合材料桅杆的各部分之间须用低阻抗金属连接。对于非金属舰船，雷电防护设计较复杂，须从接地、屏蔽、导电电路的布局、雷电防护器件、辅助接地平板等方面考虑。

舰船雷电防护设计验证方法包括试验和仿真。雷电模拟试验分为高电压试验、大电流试验和雷电感应瞬态敏感度试验。高电压试验和大电流试验验证舰船对直接雷电效应的防护，雷电感应瞬态敏感度试验验证舰船对间接雷电效应的防护。根据现有技术和工程经验，目前可开展的试验主要包括缩比模型雷电附着试验、部件电流试验和部分电气电子设备的间接效应试验。同时，利用仿真分析软件进行仿真计算和分析，仿真内容应与试验方法对应，包括电压仿真和电流仿真。通过仿真工具计算分析，验证仿真算法的准确性，为后续扩展到不便进行雷电试验的部分奠定基础。仿真分析可用于雷电附着评估、防雷系统设计、电结构阻性/安全性分析、雷电电磁环境评估、线缆感应评估、防雷设计方案论证等。