舰船雷电环境研究

发布日期:2018.08.15

摘要

        现有的文献和标准均未对舰船的雷电环境进行明确的分析和描述,导致进行防护设计和制订标准规范时缺少支撑和依据。本文基于自然雷电现象和数据,对海洋雷电相关的文献资料进行研究,对比陆地雷电和海洋雷电的差异,分析舰船所处的海洋雷电环境特点及舰船自身对雷电的影响,总结出舰船雷电环境的特征,可作为舰船雷电效应分析、防护设计及标准规范制定的参考依据。


01 引言

       当舰船在海平面上航行或者停靠在港口时,可能受到雷电袭击。现代舰船的舰载设备中有大量了电子通讯导航设备及精密仪器仪表,而这些设备的瞬态冲击耐受能力比较弱,一旦遭到雷击,将会损坏,造成系统瘫痪,给舰船安全航行及任务执行带来极大影响。因此有必要对舰船进行雷电防护设计。

       由于舰船所处的海洋雷电环境与地面建筑及飞行器的雷电环境存在差异,因此在进行雷电防护设计及制订相关的标准规范时,应该考虑到这些差异,明确舰船雷电环境的特点,保证防护设计的针对性和实际效果。


02 自然雷电现象

       雷电放电是由带电云团中分布于不同区域的正负极性电荷产生的,云团内电荷分布结构有多种,最典型的是为三极模型(如图1所示),雷云最上层为正电荷,中间为负电荷,最下面为正电荷,一般情况下,最下方的正电荷数量较少,因此也可以简化成下负上正的两极模型,正负电荷的总数基本相等。


图1 带电云团三极模型

       自然界雷电现象包括了三种情况:

       1)云对地放电或者地对云放电(云地放电);

       2)不同云团之间的放电(云间放电);

       3)同一个云团内不同极性区域之间的放电(云内放电)。

       50%以上的雷击是云内放电。地面建筑和其他物体遭遇的雷电均为云地放电,云地放电也可分为两类:

       1)云团下行先导对地放电(正负极性),如图2a)和图2b)所示;

       2) 地面上行先导对云团放电(正负极性)如图2c)和图2d)所示。


图2 云地放电的类型

       从图2可以看出,雷云的下部为负电荷,离地面近,与大地间的放电相对容易,所以在下行先导对地放电中,负极性放电的次数多;而正的电荷中心离地面源,放电要困难些,因此正极性放电的次数少,但一旦放电,会输送更多的电荷量。正极性放电的比例约为10%。表1为下行先导放电主要参数,从表中可以看出,除了上升率之外,其余参数都是正极性比负极性要大得多。

表1 下行先导放电参数


       上行先导放电的发生概率随地面突起物的高度增加而增加,其放电强度也小于正极性下行先导放电。因此防雷标准在确定直接效应的设计与考核指标时,主要基于正极性放电参数。


03海洋雷电分布及特点

3.1   全球雷电分布

       1995年4月以来,美国国家航天局(NASA)成功在Microlab-1和TRMM两个卫星上装载了近红外雷电探测系统,分别为光学瞬态探测仪(OTD)和雷电成像仪(LIS),可以全天候探测全球大部分地区所发生的云闪和地闪。

      基于18年(1995年5月至2012年2月)LIS/OTD资料得到的全球雷电活动分布如图3所示。

图3 全球雷电活动分布图

       从图上可以看出,陆地雷电密度远大于海洋。陆地和海洋的雷电密度之比约为9.6:1。而在海洋雷电中,近海海域面积占海洋面积的26.6%,却贡献了68.8%的海洋雷电。近海海域和远海海域雷电密度比为6.08:1,在海洋地区的雷电数量中占有重要的比重,陆地、海洋、近海海域、远海海域的雷电密度分别为8.29、0.86、2.22、0.37。


3.2 中国海洋雷电分布

       中国地处温带和亚热带地区,夏季雷暴活动十分频繁,由于幅员辽阔,地形地貌复杂多样,各地的雷电活动气候特征差异很大。中国陆地年平均雷电密度为4.22 ,广州附近、广东茂名附近及海南岛中部地区是中国雷电活动最频繁的三个地区,雷电密度均超过20,最强处甚至达到了30。中国的近海位于北太平洋的西部边缘,包括渤海、黄海、东海、南海四个近海。中国近海的雷电密度平均值远大于同纬度的全球海洋平均值,是全球海洋的一个雷电密度相对高值区。四个近海中以渤海与南海的雷电活动最为频繁,而黄海和东海较弱。另外还有一个特点就是在台湾岛东北端至日本九州岛有一条宽约150~200km的带状高雷电密度带,平均值可达3.34

基于18年(1995年5月至2012年2月)LIS/OTD资料得到的中国雷电活动分布如图4所示。

图4 中国雷电活动分布

       中国气象局每年发布了全国主要港口的雷电监测数据,包括年雷暴日、雷电密度分布及雷电强度值,这些值是以港口为中心,以30千米为半径统计该范围内的年雷暴日和雷电密度的平均值。表2 为2014年部分港口的雷电统计数据。可以看出,我国南北方港口的雷电密度差异很大,南方的广州港是雷电密度最高的港口。


表2 2014年部分港口的雷电统计数据


       渤海、东海和黄海的日最大雷电密度经常出现在凌晨时段,这与绝大多数的海洋雷电活动相一致。而南海因周围环绕着陆地和岛屿,大部分海域(中部除外)日最大雷电密度出现在午后(12:00~20:00),相对于其他海域是比较独特的。


3.3   海洋雷电特点分析

       海洋上虽然雷电活动频次少,但已有的研究和观测表明海洋雷电放电强度要比陆地雷电放电大得多。

Vernon Cooray等多位学者根据对实测数据的研究分析,明确首次回击电流峰值与第一个100us内传递的电荷量之间存在明确的联系,Cooray提出的近似关系如下:

       其中单位为kA,Q的单位为C。由上面的关系进而推出峰值电流与背景电场的关系:

       其中E的单位为kV/m。上式只适用于电荷中心距离地面4km的情况,当距离变大时,相应的峰值电流也会变大,距离为4km、5km和6km时,首次回击峰值电流与背景电场的关系如图5所示。


图5 首次回击峰值电流与背景电场的关系


       Marshall等人获得的试验数据表明,雷云内的最大电场强度约为150kV/m(云团大范围的平均值,不是局部极值),而文献报导的在地面测得的最大电场为130kV/m,这个场强是在一个湖的水面上测得的。

      基于上述结论,若雷云电场强度达到150kV/m,当高度为4km时,首次回击最大电流可达到300kA左右;当高度为6km时,首次回击最大电流可达到450~500kA。

       有两个因素会降低云团下的背景电场。一是地面物体的电晕放电,当接近地面的电场强度超过5-10kV/m时,树木、灌木及其他的突起物会产生电晕放电,形成大量的空间电荷,这些电荷可以降低背景电场强度,减小首次回击电流峰值;另一个因素是地面较高物体的向上先导,Becerra和Cooray]究的结果表明100kV/m的电场强度就可以在10m高的导电体上产生上行先导,使得背景电场强度不需要累积到很高即可产生放电,从而降低首次回击电流的峰值(如图6所示)。


图6 降低背景电场强度的因素(海洋和陆地对比)


       对于陆地上的雷云,上述两个因素作用明显,使得雷电流峰值一般不超过200kA,而对于海洋环境,水面不存在可以产生电晕和上行先导的突起物,使得背景电场强度可能累积到比陆地更高的值,因此海洋雷电的峰值要远高于陆地上的雷电峰值。

导致海洋雷电峰值更高的原因可能还有一些。根据前文所述的三极电荷分布模型,最下面的正电荷的存在可能起到触发地闪的作用。有两个物理机制可以增加底部的正电荷。一是云内冰晶与霰粒的碰撞会使它们各自带上相反的电荷,霰粒较重会下沉到底部,当温度高于-20℃或者-10℃时,霰粒会带正电;另一个机制是地面电晕产生的正电荷会随着上升气流迁移到雷云底部。根据Jayaratne等人的试验数据,微量NaCl的存在会使得霰粒在碰撞中总是带负电荷,同时由于海面因电晕产生的正电荷很少,使得海上雷云底部的正电荷不容易累积而触发雷电,导致中部电荷形成的电场强度累积到更高时才会发生雷击,这也导致了更高的回击电流幅度。

       由于温带地区雷云高度一般在4km以内,而热带地区雷云的高度可达到6km,温带地区海洋雷电的最大峰值可达到300kA左右,而热带地区海洋雷电的最大峰值可达到450kA~500kA,远大于陆地观测到的雷电峰值。

       EduardShulzhenko等人对北海德国海域、北海英国海域、波罗的海的13个海上风电场(距离陆地7km~100km)进行了8~10年的雷电监测,并与50个陆地风场的监测数据进行对比,结果表明:监测的海上风电场雷电的强度远高于陆地风电场雷电强度,海上雷电的首次回击电流的最大峰值接近300kA,电荷传递量超过300C。另外还有一些观测结果也表明海上雷电的强度高于陆地雷电。


04 舰船雷电环境分析

水面舰船尤其是大型舰船,其雷电环境与陆地建筑物有一些差异,具体分析如下:

       1) 由于舰船活动的区域包括港口、近海和远海,因此需要综合考虑这三种区域的雷电环境。我国一些南部港口雷电频次很高,舰船在港口停泊时,遭遇雷击的概率高,但雷击强度超过标准幅值(200kA)的概率极低。而在近海或远海区域,雷电频次降低,但雷击强度大大超过港口的雷击强度,首次回击幅值可能达到甚至超过300kA。

       2)当舰船在海面航行时,舰船本身对雷电的发生会有一定的影响。由于海面没有其他突起物,当舰船上方存在雷云时,舰船成为地平面上唯一可产生电晕及上行先导的物体。一般认为,低于100m的建筑物通常假设值遭受下行雷击,但对于海面上的舰船,考虑到突起的唯一性,对于最大高度达到20m~50m的舰船,其产生上行先导的概率要高于陆地同等高度的建筑。另外,由于舰船船体到最高位置的避雷针都是金属良导体,更有利于上行先导的产生。因此,海面舰船的存在,会增加雷击发生的概率。上文提及的Eduard Shulzhenko等人对海上风电场雷电监测的文献中还有一个结论:海上风电场建成后,雷电频次和最大首次回击电流都比建成前要高(增加幅度均超过100%),这也验证了海上 突起物对雷电频次和强度的增强效应。舰船的高度虽然没有风机高,但其对雷电频次和强度的增强效应同样也会存在。

       3)对于舰船年雷击次数的估算可按照IEC 62305-2 “Protection against lightning - Part 2: Risk  Management” 中的如下公式进行:

                           

       其中,为年雷击次数,为所在区域的年雷击平均密度为截收雷电的等效面积,为环境因数。对于陆地上的建筑物,最大为2,而海上物体,则应取3~5,以体现突起物对雷击频次明显的增强效应。

对于最大高度为30m的舰船,若只考虑最高位置避雷针的接闪等效面积,则等效面积为:

       南海近海区域年雷击次数

       局部最高年雷击次数(如广州港)可达到

       计算结果表明,在高雷暴区域内的舰船的年平均雷击次数可达到0.3~1次左右,必须重视雷击可能造成的影响。


05 结论

       基于上述分析,舰船雷电环境的主要特征包括:

       1)港口、近海及远海的雷电频次及强度不同,海上雷电的强度高于陆地雷电,三个区域的环境在设计时均需考虑;

       2)舰船本身对雷电频次和强度有增强效应;

       3)我国海域内,大型舰船的年平均雷击次数最大可达到1次左右。

       本文分析的舰船外部雷电环境主要包括雷电频次和雷击强度。当舰船遭遇雷击时,舰船内外的电磁场特性及雷电感应特性等直接关系到设备损伤的因素,还有待进一步分析。




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