艦船系統(tǒng)的雷電防護(hù)設(shè)計

鄭生全，侯冬云，李 迎，劉其鳳，鄧 峰，趙 剛

（1.電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢 430064；2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

艦船系統(tǒng)的雷電防護(hù)設(shè)計

鄭生全1，侯冬云1，李 迎2，劉其鳳1，鄧 峰1，趙 剛1

（1.電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢 430064；2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

艦船是海面上最容易遭受雷電襲擊的目標(biāo)。雷電的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)都會對高度信息化的艦船系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重危害。因此，在艦船的雷電防護(hù)設(shè)計中，不僅要進(jìn)行直擊雷的防護(hù)，還要高度重視雷電電磁脈沖的危害，并進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計。本文分析了雷電對艦船系統(tǒng)的危害特性，提出了針對艦船系統(tǒng)的直擊雷和雷電電磁脈沖的防護(hù)設(shè)計方法。

艦船；雷電；危害；防護(hù)

雷電是自然界最頻繁的大氣放電現(xiàn)象，通過對衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計分析表明，全球每秒鐘發(fā)生100次左右閃電；雷電的脈沖功率可達(dá)2億k W；脈沖電流峰值高達(dá)數(shù)k A到300 k A。雷電流強(qiáng)大的沖擊機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)以及伴隨的電磁脈沖效應(yīng)，對各類建筑物、電子設(shè)備和系統(tǒng)、大型裝備等產(chǎn)生非常嚴(yán)重的破壞。1987年6月9日，美國肯尼迪航天中心的火箭發(fā)射場上，在雷雨交加之際，3枚小型火箭因雷電導(dǎo)致誤觸發(fā)升上天空；同年，美國在一次海軍衛(wèi)星發(fā)射中，雷擊導(dǎo)致升空火箭中的計算機(jī)系統(tǒng)誤指令，使上升火箭的一噴口轉(zhuǎn)向，最終不得不引爆火箭，損失達(dá)1.6億美元。1993年4月21日和1997年8月6日，上海奧林匹克俱樂部兩次遭受雷害，均造成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)停止工作，程控電話自動記費(fèi)系統(tǒng)傳輸中斷，其中一次中斷了20多小時后才恢復(fù)工作。據(jù)美國國家雷電安全研究所關(guān)于雷電危害情況的一份調(diào)查報告表明，美國每年因雷擊造成的損失約50～60億美元；我國每年因雷擊造成人員傷亡達(dá)3000～4000人，財產(chǎn)損失約超過100億元人民幣。因此，對重要設(shè)施和信息系統(tǒng)的雷電及其電磁脈沖防護(hù)，已引起世界各國人們的高度重視，并開展了大量研究［1－4］。

飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行物容易被云間和云地的雷電擊中，地面的高大高筑物容易被云地間的雷電襲擊。海面也是極容易形成雷電的區(qū)域，游弋在開闊海面上的大型艦船，由于其高高聳立的桅桿和各類突出的天線，使其成為海面上最易受雷電襲擊的目標(biāo)。本文將針對艦船的特點(diǎn)，分析雷電的危害及相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計方法。

1 雷電的危害效應(yīng)

雷電對艦船的危害效應(yīng)包括雷電的直接效應(yīng)和雷電流引起的間接效應(yīng)。直接效應(yīng)即直接由雷擊產(chǎn)生的物理效應(yīng)，表現(xiàn)為燃燒、侵蝕、爆炸、結(jié)構(gòu)變形、高壓沖擊波、強(qiáng)電流形成的磁場，以及雷電沿避雷裝置引下線向大地（海面）泄放時所形成的足以致命的接觸電壓和跨步電壓等；雷電流引起的間接效應(yīng)即電磁輻射效應(yīng)，也就是伴隨著雷電產(chǎn)生的電磁脈沖輻射及其與設(shè)備和系統(tǒng)之間的相互作用。

1.1 雷電對船體結(jié)構(gòu)的機(jī)械和熱效應(yīng)

雷電直接效應(yīng)的主要原因是雷電電弧附著、高壓沖擊波和因強(qiáng)電流伴隨的磁力引起的。在持續(xù)的雷電回?fù)暨^程中，大電流產(chǎn)生的高溫會熔化或點(diǎn)燃固體材料，造成破壞。而持續(xù)時間短、峰值大的電流脈沖，會通過電磁力使金屬零件損壞或扭曲。電磁力的大小與瞬時電流的平方成正比。雷電直接效應(yīng)的危害程度與物體電流傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的能力有關(guān)。由于金屬材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好，可以為雷電流形成一條低阻抗的“捷徑”導(dǎo)入大地，通常用于直擊雷的防護(hù)系統(tǒng)。由于機(jī)械力的存在，必須要把保護(hù)系統(tǒng)可靠地緊固。因此，金屬的桅桿和船體結(jié)構(gòu)，都可以對雷電起到良好的引導(dǎo)作用，不會對船體結(jié)構(gòu)造成危害。

但是，當(dāng)絕緣體和半絕緣材料承受雷電放電時，可能會發(fā)生爆炸而嚴(yán)重?fù)p壞。如玻璃鋼船體、玻璃鋼天線罩、木質(zhì)的桅桿或旗桿等，在受到雷電襲擊時，則會遭受嚴(yán)重破壞。部分船舶為了減輕重量，采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)的桅桿或船體結(jié)構(gòu)，或在較細(xì)的鋼結(jié)構(gòu)外層包一層玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由于雷電總是盡可能的通過最小阻抗的通道流向大地，為了要達(dá)到金屬通道，放電必須穿越這些木質(zhì)或玻璃鋼障礙，在穿越這些非金屬材料的障礙時，由于瞬時大電流產(chǎn)生的高熱高溫使內(nèi)部水蒸汽瞬時汽化，通常會引起更大的爆炸，或使材料擊穿燒毀。水面艦船上布置在桅桿上帶玻璃鋼天線罩的天線曾遭受雷擊，天線罩被燒出一個直徑20 cm左右的大洞。

1.2 雷電對艦船系統(tǒng)的電效應(yīng)

雷電對船體桅桿、避雷針結(jié)構(gòu)放電時，往往會引起電子設(shè)備的損壞。導(dǎo)體的熔化或燒毀通常發(fā)生在雷擊點(diǎn)上。由快速上升的大幅值電流脈沖形成的脈沖電壓，其幅值足以擊穿絕緣材料，引起元器件的破壞和失效，甚至造成人員的傷亡。脈沖電壓產(chǎn)生的主要原因包括結(jié)構(gòu)和地線的電阻壓降，長導(dǎo)體的磁感應(yīng)電壓等。

雷電放電所產(chǎn)生的電流脈沖通常具有較快的上升時間，約1～8μs，較高的電流幅值，一般為10～200 k A。這樣快速變化的大電流，即使是在相當(dāng)短的導(dǎo)體上，也會產(chǎn)生很高的電壓，這個高電壓甚至可以擊穿空氣和其他絕緣材料，引起飛弧放電。

舉例來說，對于艦船桅桿上一根長20 m、直徑為Φ10 mm的圓銅棒引下導(dǎo)體，在通過200 k A的電流時，所產(chǎn)生的阻性壓降為

把電感考慮進(jìn)去，引下導(dǎo)體的電感為

式中：L 為總電感量（μH）；l為導(dǎo)線長度（cm）；d為導(dǎo)線直徑（cm ）。

跨在一個電感兩端所產(chǎn)生的電壓由式（3）計算：

式中：L為電感（H）；d i／d t為通過電感的電流變化率（A／s）。

典型的雷電電流變化率為20 k A／μs，此值對應(yīng)的d i／d t值為2×1010A／s，因此，雷電流流過導(dǎo)體電感的感應(yīng)電壓為

盡管此電壓持續(xù)時間通常小于2μs，但是電壓幅值很高，足以對引下導(dǎo)體附近的導(dǎo)電物體引起飛弧。這就要求引下線導(dǎo)體附近的金屬物體要與引下線導(dǎo)體實(shí)行電氣連接，以避免飛弧放電。

艦船上高高聳立的桅桿，以及桅桿上部布置的各類通信天線、雷達(dá)天線，容易遭受雷擊。盡管桅桿本身可以起到避雷針作用，但在離桅桿較遠(yuǎn)的短波鞭狀直立天線、桅桿橫桁兩端較高的超短波天線、桅桿頂部的雷達(dá)天線，都是容易受到雷電襲擊的部位。通信、雷達(dá)天線在遭受雷電的直接襲擊時，強(qiáng)大的雷電脈沖電流將沿著天線和與天線相連接的射頻電纜、控制電纜傳入艙室內(nèi)部，燒毀電子設(shè)備，甚至對操作人員的人身安全構(gòu)成危害。

由于強(qiáng)大的雷電流變化率很快，與雷電放電通路并無直接接觸的電路，即使排除了飛弧交連和雷電的直接放電，在鄰近導(dǎo)體上也會產(chǎn)生電磁感應(yīng)電壓，試驗和分析數(shù)據(jù)表明，雷電流附近導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓可達(dá)數(shù)百伏甚至上千伏，超過電路中許多元器件，特別是固體器件所允許的工作電平，對電子設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)成破壞。雷電放電的電磁頻譜其主要能量集中在30 MHz以下，所以，無論是艦船平臺上發(fā)生的雷電放電還是艦船附近上千米范圍海面上發(fā)生的雷電放電，產(chǎn)生的電磁輻射都會通過外露的天線和電纜感應(yīng)到艦上的敏感電子設(shè)備和系統(tǒng)，對電子設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其正常工作。

2 艦船防雷的考慮

艦船系統(tǒng)的雷電防護(hù)，與陸地上重要建筑物的防雷相類似，也應(yīng)包括外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)。外部防護(hù)主要是直擊雷的防護(hù)，其作用是攔截和泄放雷電流，保護(hù)艦船的上層建筑及桅桿、甲板上布置的各種武備、天線、艦載機(jī)等免遭雷電的襲擊。內(nèi)部防護(hù)則主要是對雷電電磁脈沖防護(hù)，防止強(qiáng)大的雷電脈沖電流產(chǎn)生的脈沖輻射場經(jīng)天線、各種電源和信號電纜、地線等耦合至艙室內(nèi)部的電子設(shè)備而造成對人員和設(shè)備的危害，其作用主要是均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。

2.1 艦船直擊雷的防護(hù)設(shè)計

與陸地上建筑物直擊雷防護(hù)的原理相同，艦船處于開闊的海面上，其外部的直擊雷防護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)包含接閃器（避雷針）、引下線、接地體等。對于金屬船體和桅桿，本身是一個良好的導(dǎo)體時，桅桿既可以作為接閃器，也可以作為引下線，船體與海水大面積的接觸，可以作為良好的接地體。但是，對于非金屬材料（如玻璃鋼）的桅桿或船體，則必須在桅桿頂端布置避雷針，并通過具有足夠截面積的導(dǎo)體引下線連接至金屬船體的甲板上進(jìn)行良好焊接或壓接，如果船體也是非金屬，則需將引下線直接導(dǎo)入海水中，并與海水有足夠的接觸面積，保證雷電通道的低阻抗特性。

但是，在艦船的桅桿上通常布置有大量的通信、探測設(shè)備的天線，以及與天線相連直接通到艙室內(nèi)部的各類電纜。這些天線和電纜是直擊雷防護(hù)中特別需要受保護(hù)的對象。因此，在進(jìn)行艦船避雷針設(shè)計時，首先要確定艦上要保護(hù)的對象，確定避雷針的保護(hù)范圍，再根據(jù)避雷針的保護(hù)范圍確定避雷針的數(shù)量和高度。同時，避雷針、引下線的安裝位置，不能影響桅桿上各類天線的方向圖畸變超出允許的范圍。

避雷針的保護(hù)范圍與避雷針的高度、雷電先導(dǎo)電流的強(qiáng)度、甚至與雷電的極性（取決于雷云底部所帶電荷的類型）都有關(guān)。雷電保護(hù)設(shè)計中一個很重要的參數(shù)——雷擊距離，是指即將被雷電擊中的物體和雷電下行先導(dǎo)之間的距離，避雷針的保護(hù)范圍是由雷擊距離決定的。關(guān)于避雷針的保護(hù)范圍有多種計算方法，最粗略的計算方法為圓錐保護(hù)法（CPM）。圓錐保護(hù)法的計算模型見式（5）。

式中：Rs為雷擊距離；h為避雷針的高度；r0為地面水平保護(hù)半徑，也有根據(jù)圓錐頂角來提出保護(hù)范圍的，如圖1所示。

由于圓錐法未考慮雷電先導(dǎo)的電流強(qiáng)度，僅僅只考慮了避雷針的高度，只能作為簡單的估計。比較準(zhǔn)確的方法也是許多標(biāo)準(zhǔn)上所采用的方法為滾球法（RSM），滾球法的計算模型如式（6）—式（8）。

式中：Rs為雷擊距離；Ip為先導(dǎo)峰值電流；r0為地面保護(hù)半徑；rx為高度為hx平面上的保護(hù)半徑。

滾球法是以Rs為半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當(dāng)球體只觸及避雷針和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護(hù)的部位時，該部分就是避雷針的保護(hù)區(qū)域，如圖2所示。通常采用滾球法來進(jìn)行艦船上避雷針保護(hù)范圍的計算。

艦船系統(tǒng)除了桅桿上的天線和電纜以外，艦船甲板上突出的武備、天線也是雷電容易擊中的部位。由于艦船的大尺寸結(jié)構(gòu)，太高的避雷針安裝在桅桿上從結(jié)構(gòu)和總體性能上也不現(xiàn)實(shí)，桅桿上的避雷針可能無法對全船進(jìn)行保護(hù)，因此，需要對全艦進(jìn)行區(qū)域劃分，以確定避雷針的數(shù)量。對于縱向尺度較小的快艇，桅桿頂部設(shè)一處避雷針就可以對全船實(shí)現(xiàn)保護(hù)；但對于護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、航母等大縱向尺寸的艦船，則需要分為3～4個區(qū)域，分別進(jìn)行設(shè)計和防護(hù)。如圖3所示。根據(jù)各區(qū)域的保護(hù)范圍要求，確定各避雷針的安裝高度。除了理論的仿真計算外，還需要采用模型試驗方法，對艦船上避雷針布置的位置、高度、數(shù)量、保護(hù)效果等進(jìn)行驗證。如圖4所示。

圖1 圓錐法確定避雷針保護(hù)范圍

圖2 滾球法確定避雷針保護(hù)范圍示意圖

布置在桅桿頂部的避雷針對桅桿的重心、抗風(fēng)能力、撓度、振動、形變等整體結(jié)構(gòu)性能影響較大，因此，要將避雷針與桅桿一起進(jìn)行建模，分析避雷針對桅桿性能的影響。如果避雷針對桅桿的影響過大，則需要降低避雷針的高度或重量，重新劃分避雷針的保護(hù)范圍和配置的數(shù)量。

圖3 護(hù)衛(wèi)艦雷電防護(hù)的分區(qū)設(shè)計方案

避雷針的形狀和種類很多，目前市場上除了傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針外，還包括提前流光發(fā)射空氣端子（ESE）、電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（CTS）、半導(dǎo)體消雷器（SLE）和等離子體避雷體等，如圖5所示。但這些新的防雷技術(shù)目前并沒有被大多數(shù)防雷專家所接受。大量的野外實(shí)驗證明，直徑為20 mm左右圓頂?shù)膫鹘y(tǒng)型避雷針，其引雷效果優(yōu)于其它類型和尺寸的避雷針，因此其雷電的防護(hù)效果也最好。從結(jié)構(gòu)上講，傳統(tǒng)的避雷針也最適合于艦船使用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、風(fēng)阻小、安裝方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 艦船感應(yīng)雷的防護(hù)設(shè)計

雷電發(fā)生時，在雷擊點(diǎn)附近會產(chǎn)生劇烈變化的磁場和電場。在距云對地雷擊點(diǎn)10 m的地方，通常磁場的變化率可以達(dá)到2.2×109A·m－1·s－1，電場變化率達(dá)到6.8×1011V／（m·s），這主要是由于雷電放電產(chǎn)生的電磁脈沖輻射引起的。雷電電磁脈沖輻射的頻譜分量可達(dá)到30 MHz，主要能量在10 MHz以下。如圖6所示。艦船上的通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等都會感應(yīng)雷電電磁脈沖而受到干擾甚至破壞。艦船系統(tǒng)感應(yīng)雷的防護(hù)措施主要包括限幅、截流、分流、均壓、屏蔽、濾波和接地等。

圖4 艦船雷電防護(hù)設(shè)計的模型驗證試驗

圖5 不同種類的避雷針

限幅、截流、分流等雷電保護(hù)措施可以由不同的過電壓保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。在選擇過電壓保護(hù)裝置時，主要考慮被保護(hù)對象的工作電壓、系統(tǒng)受雷電危害的威脅等級、雷電對設(shè)備工作狀態(tài)的影響程度等。當(dāng)系統(tǒng)受到雷電磁脈沖襲擊產(chǎn)生瞬時高電壓時，過電壓保護(hù)裝置導(dǎo)通或?qū)㈦妷嚎刂圃谝欢ǖ姆龋瑢⒋蟮睦纂娏饕龑?dǎo)到地，保護(hù)后端的電路。當(dāng)雷電脈沖過后，過電壓保護(hù)裝置恢復(fù)到高阻狀態(tài)，使線路恢復(fù)正常工作。適當(dāng)選擇保護(hù)電路的門限電平和通流容量，既可以保證工作信號的正常通過，又可以防止雷電電磁脈沖信號對敏感電路的破壞。艦船上容易感應(yīng)雷電脈沖的部分主要包括外露的短波／超短波天線、甲板上外露的電源和信號電纜等。因此，在所有短波／超短波通信天線的射頻電纜前端或進(jìn)入艙室之前，均應(yīng)加裝雷電過電壓保護(hù)裝置。通往上層甲板外露較長的電源線、信號線在進(jìn)入艙室前也要加裝雷電過電壓保護(hù)裝置，保護(hù)相連接的電子設(shè)備，同時防止電磁干擾進(jìn)入艦船電網(wǎng)或信號網(wǎng)絡(luò)。此外，良好的接地是過電壓保護(hù)裝置發(fā)揮作用的前提。

屏蔽是防止和減小雷電電磁脈沖輻射對敏感電子設(shè)備危害的最有效方法之一。由于雷電的電場和磁場均較高，要求屏蔽材料既具有良好的電屏蔽，又具有良好的磁屏蔽效果。通常，采用導(dǎo)磁率較高的鋼結(jié)構(gòu)船體能提供較好的磁屏蔽效果。如果是玻璃鋼結(jié)構(gòu)的船體，則主要依靠設(shè)備的機(jī)箱、電纜等自身的屏蔽保護(hù)。艦船系統(tǒng)屏蔽的關(guān)鍵在于艙室的孔縫、觀察窗、通風(fēng)孔、設(shè)備機(jī)箱的孔縫等。艦船上普通的風(fēng)雨密門、觀察窗、通風(fēng)孔不能提供足夠的屏蔽效能，對關(guān)鍵的電子設(shè)備必須采用特殊的材料和工藝，提高整體的屏蔽效能。在觀察窗口采用高性能的屏蔽玻璃，在通風(fēng)孔處覆蓋金屬線編織網(wǎng)，或采用截止波導(dǎo)式陣列通風(fēng)孔，對屏蔽體的所有縫隙進(jìn)行良好的焊接、壓接、或彈性接觸，并對屏蔽體的貫穿導(dǎo)體在入口處進(jìn)行良好的電連續(xù)性處理，都是提高艦船系統(tǒng)屏蔽效能的有效方法。值得注意的是，大部分屏蔽玻璃都是表面鍍一層金屬膜或在夾層夾金屬絲網(wǎng)，或兩種方法同時使用，在屏蔽玻璃的安裝過程中，一定要將玻璃內(nèi)部的金屬層與窗框良好電接觸，否則會在屏蔽窗的邊沿形成電磁泄漏縫隙，影響屏蔽效能。

雷電電磁脈沖具有較寬的頻譜特性，采用帶限幅器的電磁脈沖濾波器，并進(jìn)行良好接地，既可以對瞬時浪涌電壓進(jìn)行限位，也可以對雷電帶外的電磁干擾能量進(jìn)行抑制。裝有濾波器的設(shè)備，可在不影響電路正常工作的條件下，盡量提高高通濾波器的截止頻率，或盡量降低低通濾波器的截止頻率，增大阻帶衰耗，以減小進(jìn)入內(nèi)電路的沖擊能量。

良好的布局也是減小雷電電磁脈沖感應(yīng)的重要手段。由于雷電電磁脈沖具有很強(qiáng)的磁場分量，減小系統(tǒng)布局的磁場感應(yīng)回路面積，可以有效地減小雷電電磁脈沖的危害。如在布局時盡量減小電纜與金屬艙壁之間的間隙，將電纜緊靠艙壁或甲板布置，盡量減小電纜的長度；將傳輸弱信號的敏感電纜盡量遠(yuǎn)離艙室門洞、窗口、通風(fēng)開孔等。由于集膚效應(yīng)的影響，雷電流大部分都是沿導(dǎo)體的外壁流動。因此，桅桿上與天線相連的各類電纜應(yīng)盡量在桅桿內(nèi)部敷設(shè)，減小因引下線或桅桿上大的雷電流在電纜上的耦合電壓。對于封閉式的柱狀桅，電纜可以在桅桿內(nèi)部敷設(shè)，而對于桁架桅，則需將電纜穿金屬管后，在桁架內(nèi)部引至船體甲板。如果避雷針的針體為內(nèi)徑足夠大的金屬管，也可以將電纜從避雷針內(nèi)部引至船體甲板。

圖6 雷電電磁脈沖頻譜分布

3 結(jié) 語

艦船的雷電防護(hù)是艦船總體電磁兼容設(shè)計的重要內(nèi)容，它是一個系統(tǒng)工程，需要設(shè)備、系統(tǒng)、總體3個層面的綜合考慮。設(shè)備需要在器件的選型、機(jī)箱的屏蔽、與外部連接端口的處理上考慮雷電脈沖的輻射與傳導(dǎo)危害防護(hù)；系統(tǒng)則需要在系統(tǒng)內(nèi)部和外部的連接上采取防雷措施；總體需要考慮全艦直擊雷的防護(hù)，優(yōu)化布局減小雷電感應(yīng)，并采用嚴(yán)格的工藝和相關(guān)的防護(hù)措施，阻止雷電脈沖進(jìn)入艦船敏感系統(tǒng)內(nèi)部。

［1］ MOORE C B，AULICH G D，RISAN W.The case for blunt-tipped lightning rods as sbike receptors（1）［J］.Appl Meteor，2003，42：984-993.

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TM153

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1008-1542（2011）07-0178-05

2011-06-20；責(zé)任編輯:馮 民

鄭生全（1970-），男，湖北仙桃人，高級工程師，碩士，主要從事電磁脈沖危害與防護(hù)方面的研究。