舰船雷电防护

发布日期:2016.09.01

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GB 50343-2012《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”。GB 50057-2010《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。GJB 4000-2000《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GJB 4000-2000《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。

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