雷電防護在船舶中的應用探討

陸 洋，孫國亮，左紅穩，肖海瑞

(63680部隊，江蘇 江陰 214431)

據報道，船舶雷擊事件時有發生，并造成人員傷害和設備損失。同時，船舶雷電防護標準少、不細致、革新慢，或直接參照其它標準，落實到實際應用中，表現為不受重視，甚至不做強制執行。軍船一般都要求直擊雷防護，但對于感應雷的防護缺少相關規范或有力措施[1-3]。本文通過分析船舶雷擊的分類及后果，闡述現行防護標準和實船應用狀況，探討雷電防護的不足之處和發展方向。

1 船舶雷擊分類

通常，根據雷擊特點及其危害方式，將船舶雷擊分為直擊雷、感應雷和接地雷[1]。

直擊雷指雷電直接擊中設備、線路或船體結構，因電效應、熱效應和機械效應等造成設施損壞及人員傷亡，其危害程度與物體電流傳導、熱傳導的性能相關[1-4]。船舶的金屬船體和桅桿為雷電起到良好引導作用，并形成低阻抗通道導入大海，危害較小；而玻璃鋼船體或具有天線罩或木質桅桿、旗桿的船舶，雷電襲擊時會遭受嚴重破壞。

感應雷是雷電引起的電磁輻射效應，即雷電產生電磁脈沖輻射并與船載設備相互作用的現象。大氣雷電電磁脈沖是對船舶平臺的敏感系統構成危害的強電磁脈沖源之一[5]。

接地雷是由直擊雷引起的。當雷電對桅桿等高點放電時，雷擊電流通過船體向海面擴散，雷擊處(高壓)與較遠設備(低壓)之間會產生很大電位差，電流從高壓處流向低壓處；當設備接地不良時，高電位差導致設備遭到電擊損壞。

2 船舶雷電防護的相關標準、規范

目前國內船舶雷電防護常用標準、規范有：《鋼質海船入級規范》(2018)、GJB 4000-2000《艦船通用規范》、GB 50057-2019《建筑物防雷設計規范》和CB/T 3667.3-2014《船舶電纜敷設和電氣設備安裝附件接地件》等。此外，還有GB/T 18573-2009《小艇 電氣裝置 避雷保護》(艇體長度小于24 m的小艇避雷保護設備的設計、制造和安裝要求)。

不同國家船舶雷電防護標準存在差異，即使在同一國家，標準歸口組織、起草單位、頒布機構不同，規定內容、適用范圍及實施結果也存在差別。以美國為例，防護標準是由不同機構發布的，如美國船舶和帆船理事會、海岸警衛隊和國家消防協會等。再如我國的《鋼質海船入級規范》(2018)一般適用于民船，軍船也會參考，而GJB 4000-2000《艦船通用規范》一般都用于軍船。

此外，相對其它行業，船舶雷電防護缺乏完善、細致的綜合防護規范內容。在GB 50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》中，詳盡規定對電子信息系統采取的外部、內部綜合防護措施，建筑物電子信息系統綜合防雷系統見圖1。

圖1 建筑物電子信息系統綜合防雷系統

3 船舶雷電防護應用現狀

除適用標準、規范匱乏外，船舶雷電防護應用起步較晚、發展較慢、普及度低，而在其它領域，如建筑物、礦井等場所，船閘、港口機械等設施的防雷都有較為廣泛的研究和成熟的應用。

目前，鋼質船舶雷電防護多采用安裝避雷針的方法。避雷針發展至今種類繁多，除傳統的富蘭克林避雷針還有電荷轉移系統、半導體消雷器和提前流光發射空氣端子等，但船用環境要求避雷針構造簡單、安裝方便、風阻小、重量輕，不影響船體結構，富蘭克林避雷針更為適用。實際上，很多船舶的避雷針就是桅桿頂端伸出一根尖頂圓鋼，用于防護直擊雷，但對感應雷很少采取針對性防護措施。

除加裝避雷器外，文獻[1]～[4]針對船舶防雷措施的缺失提出應對策略。如表1所示，有的對策已經應用，有的措施本意并非為防雷，客觀上卻起到防雷效果。雷電防護實施情況會因船舶任務性質、設計標準、建造方式、生產成本不同有所差異。

3.1 民船雷電防護應用狀況

民船標準不要求鋼質船強制執行防雷規定，《鋼質海船入級規范》(2018)中規定：“對金屬結構船舶，由于其桅、構件和船體構成了固有的對地低電阻通路，故不需另設避雷系統”，國外船級社的規定與此類似。業內存在共識：鋼質船無需裝防雷裝置，其船身就是良好等電位屏蔽體，對雷擊能自然接閃、分流，與水接觸的船體會快速釋放電荷，并能屏蔽雷擊電磁脈沖，保護人員、設備安全。如果船東無要求，設計所、船廠、設備廠一般都不會設計、加裝雷電保護裝置或雷擊抑制器。由于淡水導電接地中介作用不如海水，淡水中船舶更易遭受雷擊，據統計，美國弗羅里達州西南部每年有3%的游艇遭受雷擊損壞，其中大部分沒有安裝防雷裝置。

表1 船舶雷電防護對策和實際應用情況比較

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

船用雷達常用防雷措施是在開關機時通過繼電器控制天線和設備之間的通斷。按下啟動按鈕，繼電器線圈通電，其常開觸頭閉合，天線和設備接通；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，天線和設備隔離。此外，有的雷達系統采取天線和設備間加裝隔離開關的方法，雷雨天氣時人為將天線和設備物理隔離。

3.2 軍船雷電防護應用狀況

國內軍船雷電防護一般依據GJB 4000-2000《艦船通用規范》或參考民用標準。《艦船通用規范》規定“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。桅桿上的電氣設備在避雷針保護范圍內，則無需另行安裝避雷針。”可見，軍船并非強制安裝避雷器，而是依船體結構而定。但有的新型船舶采用玻璃鋼結構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，當雷電擊中桅桿或天線時會將電流引入設備，此類船舶須配備防雷設施。

某船曾遭受雷擊，主桅附近電子設備嚴重損壞[5]。考慮金屬桅桿對雷達及天線影響，該船的桅桿小桅采用非金屬玻璃鋼材質，分布著大量的敏感電子設備，安裝避雷系統就顯得十分必要。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敏感元件，在雷雨天氣可切斷天線與設備的連接。

軍船對電磁環境防護向來重視，相關標準較多，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計導則》、GJB 1389A-2005《系統電磁兼容性要求》等。軍船設計時以此為據，制定適用本船的電磁兼容方案。其中部分標準涉及雷電電磁脈沖防護；《系統電磁兼容性要求》提出“對于雷電的直接效應和間接效應，系統都應滿足其工作性能的要求”，而且明確規定直接效應和間接效應的雷電環境數據，要求“符合性應通過系統、分系統、設備和部件(如結構件和天線罩)級試驗、分析或其組合來驗證。”所以，各系統、設備都應采取雷擊防護措施。

軍船設計建造中對電磁兼容的控制、電磁環境的改善和電磁干擾的抑制有利于減少雷擊效應的影響，其設計要點如下。

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備。

2)船舶結構設計和艙室設置遠離船上的輻射源，并注意避免電磁干擾，如對艙室做屏蔽處理。

3)艙面設施接地良好。

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入屏蔽艙室時，在貫穿處應環焊或通過法蘭接地。

5)電纜選擇及敷設工藝要滿足既定電磁環境，圖2是電纜進入屏蔽艙室施工工藝，將穿過電纜筒的電纜在其兩端各剝去一部分護套，中間沒有剝掉護套的一段電纜在電纜筒內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 電纜進入屏蔽艙室施工工藝

6)電氣電子設備采取船用環境接地形式。

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

圖3 特種設備的獨立供電系統

3.3 民船、軍船雷電防護應用狀況比較

民船與軍船在任務用途、參照標準、建造模式和生產成本等方面區別很大，對雷電防護的重視程度也有差異。相對于軍船，民船對于雷電防護的要求較低，很多民船沒有采取防雷措施。軍船一般加裝避雷針用于直擊雷的防護；雖然針對感應雷的防護措施尚不完善，但特有的電磁兼容設計有利于抑制雷電間接效應。表2為民船和軍船雷電防護情況的比較。

表2 民船和軍船雷電防護情況比較

4 船舶雷電防護研究方向

近年來隨著海洋權益爭端升溫、船舶技術更新發展和電磁脈沖利器突破應用，人們認識到船舶平臺強電磁脈沖防護是提高戰時生存能力和攻防作戰效能的重要保證，進而高度重視船舶雷電防護并開展大量研究。目前，國內外相關研究主要集中在以下兩方面。

1)船舶雷電防護方式的改進完善。國內應用較多的有《建筑物防雷設計規范》的滾球法和《艦船通用規范》方法；國外有集合體積法、圓錐保護法(英、美等國)、軍標方法(俄羅斯)等。研究人員根據船舶雷擊事故分析、模型試驗及理論創新，研究現行方法的失效情形并改進不足。

2)船舶平臺雷電電磁兼容的深入探索。研究人員認為[6]，強電磁脈沖防護關鍵技術須從強脈沖耦合規律入手，研發綜合防護技術與集成防護策略，包括根據系統特性及平臺結構特點，研究電磁屏蔽、組合濾波、限幅與旁路、搭接接地、總體結構布局與新材料應用等防護技術，并在所有耦合通道上采取新型防護策略。

5 結束語

船舶雷電防護標準因制定的國別、機構不同而存在差異，其中防護類型、計算方法、設計參數等要素直接關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備的安全。鋼質船普遍被認為自身具有避雷作用，所以雷電防護并不受重視，標準多年一成不變，甚至不做強制執行。與民船相比軍船對雷電防護要求較高，而且軍船電磁兼容設計也有助于消減雷擊不利影響。

隨著船舶自動化程度的普遍提高、電子信息系統的廣泛應用及海上戰力提升的迫切需求，雷電電磁脈沖防護的重要性日益突出，為此開展了船載構件電磁脈沖耦合通道防護、船舶平臺總體結構布局優化及信息設備新材料應用等課題。這些研究成果將催生新標準、新規范的出臺，推動設備研制水平、船舶建造質量的提升，保證船舶雷電防護效能的充分發揮。