船舶避雷针优化设计

船舶避雷针优化设计

汪杰朱定伟陈薇

中国卫星海上测控部江苏江阴214431

【摘要】本文从雷电对船舶带来的危害入手，分析了雷电对船舶的放电过程，提出了在避雷针表面增加电容并将其充电，使得避雷针不容易接闪，随后分析了电容的材质，使得接闪后可以对主桅上的气象设备进行电磁屏蔽保护，最后分析了整套系统运行保护过程。

【关键词】避雷电容电磁屏蔽

1前言

大海上天气多变，雷雨天气相对较为频繁。在积雨云形成过程中迅速被地球电场电离的水蒸气与上升过程中的云蒸汽产生激烈的对流、碰撞、摩擦，此时水滴将会带有大量的电荷，此时云与云之间、云与地之间将会产生较大电场，当此电场强度达到一定数值时，将会使得空气电离从而击穿空气进行放电，从而产生云间闪电与云地闪电。

2云地闪过程及对船舶的危害

2.1云地闪过程

云地闪要形成，必须满足云内水滴带有一定电量的电荷形成下行先导，船舶感应形成上行先导，此时，当电场达到一定强度时，空气将被击穿形成闪电，如图1所示。

雷电击穿空气向地面（大海）放电的通道虽然有无数条，但是由于区域内突起物与带电云最近，因此需要击穿空气的电场强度最低，所以一般区域内突起物被雷电击中的概率远超其他地点，这也是为何建筑物、船舶避雷针往往位于最高处架设。

2.2云地闪对于船舶的危害

雷电对于船舶的危害主要分为以下两种：

(1)直接雷击：主要是雷电直接击中重要设备、供电线路、通信线路、人员等，我国电力工作者根据自己观测得到的数据，统计得出雷电电流超过1KA的概率如下公式所示：

(1)

式中：

P——雷电电流大于I的概率

I——雷电电流幅值，KA

根据式子（1）可知，雷电电流一般在20～40KA,如此巨大的电流瞬间流过，必然导致物毁人亡。所以，直接雷击虽然概率不大，但是一旦发生，便会产生很大的人、财损失。

(2)感应雷击：主要是在发生雷击向大地放电的过程中，通过的电流将会对周围物体产生不断变化的电磁场，当电流越大，距离越近，磁场强度越大，而且，闪电不仅有较高的幅值，而且有较高的陡度与杂乱的频率，这对电子设备的危害更为巨大，如图2所示，当电流I发生变化时，会在电子设备内部产生涡流来对抗磁场的变化，而此涡流便会对电子设备产生巨大的损害，这也是为什么往往雷电在远处，而家中电视等电子产品会损坏。

所以，虽然感应雷击不像直接雷击造成那么大的直接危害，但是由于其经常性、不可避免性，以及对电子设备危害巨大性，我们都要对重要电子设备进行电磁屏蔽。

3船舶避雷针优化方案

通过上述分析我们可以看到，雷电对于船舶的危害主要是由直接雷击和感应雷击，因此，我们需要从这两方面来考虑避雷针优化。

3.1避雷针避雷优化

大型船舶一般都在船舶高点主桅和后桅上装备有避雷针，主要保护桅杆上的通信和气象设备，但是，避雷针并不是万能的，根据资料显示，就算装有避雷针的建筑、船舶也有一定概率不击中避雷针。因此，我们提出如下避雷针避雷优化设计。

根据上述分析，雷电击中避雷针是由于大气电离使得云与地之间产生较大电场而击穿空放电的过程，而通过资料显示，雷电击穿空气的电场强度大约是V/m，一旦大地某物体与带电云直接形成此电场强度，便会发生雷击，所以我们可以考虑如何去改变带电云与物体之间的电场强度，由于船舶是由导电金属构造而成，而避雷针与船舶等电势，所以，需要考虑将避雷针与避雷带构造一个相反的电场。

根据麦克斯韦方程组在无源区域分析，电荷与电场强度在垂直于电场强度的平面内满足以下电磁方程式：

（2）

式中：

——电荷面密度，

——大气介电常数，F/m

E——导体表面电场强度，C/mF

因此，我们可知：

（3）

由于大气介电常数基本不变，所以导体表面电场强度E与导体面密度成正比。

如图3所示，因为天空与大海远大于船，因此可以将云与地之间看作一个平面电容C1，当积雨云带电时，便会形成电场E1，此时，我们便可以在物体表面构建电场E2，来进行避雷。

考虑到船舶通信设备、气象设备不宜改装来进行保护，所以，本文将考虑对避雷针进行改造来达到避雷的目的。而且考虑到积雨云带正负电荷都有可能，所以，应该根据积雨云带电种类，来改变电源充电正负，因此，可以得到如下电场构建图。

我们以构建电容的外极板为模型，只需使得外极板外侧一面的电荷面密度减小，以减弱带电积雨云与极板之间的电场强度。外加电压使得感应的电荷面密度为，积雨云感应的电荷面密度为，则外极板感应的电荷面密度为。

最后，我们需要考虑如何控制外加电压所得到的：

——电容介电常数，

——极板面积，

d——极板间距，m

U——电容外加电压，V

根据公式（7），可以得到，需要调整外加电场后的电荷面密度只需调整极板间介电常数、电容外加电压以及极板间距。

所以，构建此电容，根据相关文献在避雷针表面涂上一层聚四氟乙烯，然后在外面在涂一层薄薄的金属层来构建此电容，然后使用直流电源与其相通，对电容进行充电以达到效果。

3.2电磁屏蔽保护

电磁屏蔽在现实生活中主要是用金属进行密封来对抗入侵的电磁场，如图5所示，当电磁场B入侵时，在金属表面会产生涡流I，而涡流I会产生于B反向的电磁场B1来对抗，从而达到屏蔽的效果。

当然首要任务是保护船舶通信、航海、气象等机房，但是，根据调查，大型船舶此类机房都以按标准做到电磁屏蔽，不需要在进行保护，但是在主桅、后桅上的通信、气象、航海设备由于需要接受信号，没法做到电磁屏蔽，本文的电磁屏蔽保护主要考虑的便是此类设备。

由于避雷针高于设备一段距离，所以3.1节的外部薄金属层中间可以断开，使用聚四氟乙烯将两段连接，根据图2可知，直导线模型电流所构造的磁场为周边垂直圆形磁场，所以特别要注意的是，断开处必须高于被保护的设备。

由于电磁屏蔽不可能做到完全不漏磁，所以根据电磁感应公式，再提两点电磁屏蔽方法：

（1）尽量减少设备磁通，也就是要求设备内回路尽量减小与圆形磁场的夹角以减少磁通，避免90度垂直敷设回路。

（2）内部回路可以利用如下图6交叉抵消来消除感应电动势。

3.3船舶避雷优化实现过程

最后，分析整套装置如何实现，根据图4，K1、K2、K3、K4均由PLC控制，K3在平时处于闭合状态，当PLC探测得到构建电容内产生了一定强度的电场，此时，雷电有较大可能击中船舶，PLC将根据所感应的电场正负来控制K2，当电场E为正，K2将导通1,2，当电场E为负，K2将导通3,4，最后导通K1，并断开K3，以防止雷电对PLC的损害，此时对电容进行充电，一定时间后（电容充电完毕），断开K1，保护电源，等待雷电击中。当一次接应雷电或者雷电并未打中避雷针，此时，导通K4，对电容内残存或充电电荷进行放电，最后PLC控制整套系统恢复初始状态。

4结束语

本文从雷电形成入手，分析了雷电对船舶的主要危害，针对此类危害提出了对避雷针进行改造，减小避雷引雷概率以及对桅杆设备进行电磁屏蔽，最后分析了整套装置如何实现避雷优化。

后续，研究构建电容极板材料以及板间材料、PLC探测电场具体数值仍需大量实验做支撑，也是本文后续的重点。

参考文献

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