雷電襲擊對(duì)船舶電氣設(shè)備的危害及防范措施

大連中遠(yuǎn)造船工業(yè)有限公司 韓建明

在海上航行的各類船舶在雷雨季節(jié)極易發(fā)生由于雷電襲擊而引發(fā)的電氣設(shè)備損壞的情況。尤其是遠(yuǎn)洋航行的船舶，由于身在航行中，無(wú)法及時(shí)維修和更換損壞設(shè)備，在一定程度上增加了危險(xiǎn)事故發(fā)生的幾率，并增加了航運(yùn)的成本。因此，造船廠在進(jìn)行船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須全面、謹(jǐn)慎地考慮到如何減少雷電襲擊給船舶帶來(lái)的危害。

一、雷電的形成及特點(diǎn)

雷電是一種大氣中的放電現(xiàn)象。云團(tuán)中的某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負(fù)電荷，當(dāng)這些電荷積聚到一定程度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是雷電。放電現(xiàn)象有的在云層與云層之間發(fā)生，有的則在云層與大地之間發(fā)生。后一種情況即落雷，會(huì)對(duì)船舶造成嚴(yán)重的威脅。

雷電的特點(diǎn)：（1）沖擊電流大，其電流高達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)安培。（2）時(shí)間短。整個(gè)過(guò)程一般不會(huì)超過(guò)60μs。（3）頻率高。其電流變化梯度大，有的可達(dá)10 kA/μs。（4）沖擊電壓高，強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，其感應(yīng)電壓高可達(dá)上億伏。

二、雷電襲擊的種類和危害

1.直擊雷

直擊雷是直接擊中電氣設(shè)備、輸電線路及船體構(gòu)造物后，因電、熱及機(jī)械效應(yīng)等造成對(duì)設(shè)施破壞及人員傷害的一種雷電襲擊，其最大電流可達(dá)300 000 A。當(dāng)雷電直接擊中設(shè)備時(shí)，其產(chǎn)生的破壞力達(dá)100 000 kW。直擊雷強(qiáng)大的能量對(duì)電氣線路的威脅最為嚴(yán)重，但是發(fā)生的可能性較小。此種情況下，雷電擊中船體構(gòu)造物的電流只有極小部分通過(guò)船體進(jìn)入電氣設(shè)備，大部分會(huì)通過(guò)船體結(jié)構(gòu)流至海洋。

2.擊地雷（“地”指船體）

在海上航行的船舶，由于其為該處的最高部位，所以容易受到雷電的直接襲擊。而船上的各類桅桿則更易遭到雷電襲擊。當(dāng)雷電直接擊中該類位置時(shí)，由于其與船體直接連接，且船體自身的阻值很小，故經(jīng)過(guò)船體的電流會(huì)十分巨大。受到雷電襲擊的位置所產(chǎn)生的電壓可以用下列公式計(jì)算：雷電襲擊處電壓=雷擊本身的電流×接地電阻。假設(shè)雷擊本身的電流為30 kA，接地電阻的阻值為10 Ω，則雷電襲擊處電壓會(huì)達(dá)到30 kA×10 Ω=300 kV，該電壓也會(huì)隨著距離增加而逐漸減弱。

船上各種電氣設(shè)備的外殼都設(shè)置有接地保護(hù)，雷電襲擊產(chǎn)生的電流會(huì)在臨近的設(shè)備外殼和內(nèi)部元件之間產(chǎn)生較高的電壓，從而使內(nèi)部電氣元件損壞。

雷電襲擊處附近的設(shè)備與距雷電襲擊處較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備會(huì)由于電壓不一致而產(chǎn)生較大的電位差。在較遠(yuǎn)位置的電氣設(shè)備在沒(méi)有可靠接地的情況下，與船體之間會(huì)存在一定的電位差，從而直接導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞（如圖1所示）。

3.感應(yīng)雷

感應(yīng)雷主要是帶電云團(tuán)對(duì)帶電導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)電壓所導(dǎo)致，其發(fā)生幾率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直擊雷。由于其對(duì)帶電導(dǎo)線感應(yīng)方式的不同，可以分為兩種形式，即靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。

（1）靜電感應(yīng)雷

雷電云團(tuán)形成后，在其下部負(fù)電荷靜電感應(yīng)的作用下，船舶上大量的正電荷會(huì)通過(guò)設(shè)備與船體間的接地，從船體各部匯集到帶電導(dǎo)線上。當(dāng)雷電云團(tuán)放電時(shí)，其下部的負(fù)電荷會(huì)迅速得到釋放，而帶電導(dǎo)線上被雷電云團(tuán)電場(chǎng)負(fù)電荷所束縛住的正電荷會(huì)失去約束，瞬間發(fā)生釋放，在帶電導(dǎo)線中形成較強(qiáng)的電脈沖，從而誘發(fā)了雷電襲擊（如圖2所示）。

（2）電磁感應(yīng)雷

在雷電云團(tuán)放電的時(shí)候，其異常強(qiáng)大的電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，在其周圍的帶電導(dǎo)體中產(chǎn)生極高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而引起雷電襲擊（如圖3所示）。

三、三種雷電襲擊的比較（見(jiàn)表1）

表1 三種雷電襲擊的比較

四、電氣設(shè)備的耐壓

目前，各類船舶的自動(dòng)化水平日益提高，弱電設(shè)備的應(yīng)用也日益廣泛，而弱電設(shè)備的運(yùn)行電壓一般較低，這也導(dǎo)致了其對(duì)電磁干擾與電壓波動(dòng)有一定的要求。當(dāng)船舶遭受雷電襲擊時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)受到強(qiáng)電磁干擾，其會(huì)通過(guò)感應(yīng)、傳導(dǎo)及輻射等途徑被導(dǎo)入至內(nèi)部元件中。當(dāng)發(fā)生干擾的程度大于各類元件與回路可以承受的水平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其處于不正常的狀態(tài)，如誤動(dòng)作、誤報(bào)警或者失效等諸多不良后果。如果導(dǎo)入的強(qiáng)度較高，會(huì)直接導(dǎo)致元件燒毀，對(duì)船舶航行的安全產(chǎn)生巨大的影響。

五、防止雷電襲擊的措施

（1）船體構(gòu)造中的桅桿及各類舾裝品支架等物品要做到接地連接可靠，使雷電襲擊產(chǎn)生的強(qiáng)大電流能夠迅速被傳導(dǎo)至海洋中。

（2）對(duì)于船舶上的各類電氣設(shè)備要做到接地保護(hù)可靠，達(dá)到平衡的電位差。避免雷電襲擊產(chǎn)生的強(qiáng)大電壓而引發(fā)的電位差異破壞電氣設(shè)備。

（3）對(duì)于船舶暴露區(qū)域布設(shè)的電纜，其鎧裝要做到接地處理可靠，必要時(shí)要加設(shè)保護(hù)蓋板防止雷電直接擊中。對(duì)于弱信號(hào)的電纜，要選擇帶有屏蔽層的型號(hào)來(lái)加強(qiáng)對(duì)電纜的保護(hù)作用。

（4）對(duì)于電氣設(shè)備安裝在內(nèi)部的設(shè)備，如果其電纜需要路過(guò)暴露區(qū)域，其電纜的鎧裝及屏蔽層也需要做好可靠的接地保護(hù)，便于雷電襲擊產(chǎn)生的電流能夠直接通過(guò)船體導(dǎo)入海洋。

綜上所述，具體的防范措施如下：

（1）使用有金屬鎧裝及屏蔽的電纜，并有可靠的接地處理（如圖4“A”）。

（2）各電氣設(shè)備要有可靠的接地處理（如圖4“B”）。

（3）弱電回路與動(dòng)力回路要盡量分開(kāi)布設(shè)。

（4）必要時(shí)在回路中設(shè)置浪涌保護(hù)器，快速釋放雷電產(chǎn)生的能量，保護(hù)電氣設(shè)備免受損壞（如圖4“C”）。

六、結(jié) 語(yǔ)

雷電襲擊給船舶航行的安全帶來(lái)了巨大的影響，但防御雷電襲擊本身也是一個(gè)比較復(fù)雜而又必要的工作，這需要在船舶的設(shè)計(jì)階段深刻了解各種雷電襲擊的特性，并合理地對(duì)電纜的布設(shè)、保護(hù)、屏蔽等進(jìn)行考慮，在制造和維修環(huán)節(jié)更要切實(shí)做到接地連接的可靠。這樣才能有效避免雷電襲擊給船舶航行帶來(lái)的威脅，保證各類設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。