陳 萍

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

雷電是一種具有極高能量的自然現(xiàn)象，其釋放出的巨大能量足以對人員造成傷害，并使船舶電氣和電子系統(tǒng)中的敏感電子設備受損。為減少雷電造成的損失，往往需要采用特定的防護措施。本文以某浮式生產(chǎn)儲油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）為例，對雷電防護系統(tǒng)的標準要求和具體配置進行分析。

1 雷電的產(chǎn)生

雷電是發(fā)生在雷云中的電學現(xiàn)象，在天氣悶熱潮濕的時候，水蒸氣隨地面的受熱空氣上升，在空中與冷空氣相遇，使上升的水蒸氣凝結(jié)成小水滴。當溫度低于0 ℃時，水滴凝結(jié)成冰晶，不斷增長的冰晶轉(zhuǎn)化為冰雹，將電子從冰晶中剝離出來。當雷云的場強超過100 kV/m時，可能會觸發(fā)云對云、云對地放電過程。

根據(jù)雷云電荷的極性，可將云對地雷電分為正極性放電和負極性放電。正極性放電存在數(shù)個電流脈沖，最大電流可達10 kA，電荷通常高于50 As，持續(xù)時間在2 ms左右；負極性放電持續(xù)時間只有正極性放電的10%，但伴隨有后續(xù)多次較弱的放電過程，這可能會導致放電總持續(xù)時間超過1 s、總電荷超過100 As。

2 雷電防護系統(tǒng)

2.1 標準要求

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）定義了雷電可能導致的損害以及相應的防護措施。

雷電可能導致的損害主要有3點：1）接觸和跨步電壓導致的對人體的傷害；2）機械、熱量、化學和爆炸效應導致的物理損害；3）電磁效應導致的電氣和電子系統(tǒng)故障。

雷電防護措施可分為直擊雷防護措施和雷電電磁脈沖防護措施：

1）直擊雷防護措施是指減少物理損害和生命危險的保護措施。直擊雷防護系統(tǒng)可在不引起機械損壞、不觸發(fā)火災或爆炸的情況下截獲直擊雷，并將電流從雷擊點引到地面。

2）雷電電磁脈沖防護措施是指減少電氣和電子系統(tǒng)故障的保護措施。雷電電磁脈沖防護系統(tǒng)通常采用電涌保護器來實現(xiàn)保護功能，電涌保護器可有效限制瞬態(tài)電壓并分流電涌電流。

2.2 考慮因素

針對FPSO的雷電防護系統(tǒng)，主要考慮3點因素：1）防止直擊雷對主要設備造成損壞；2）防止間接雷電在電路中感應危險電壓，進而對電氣和電子系統(tǒng)造成二次損壞；3）保證露天區(qū)域人員的安全。

2.3 直擊雷防護

FPSO主要包括生活樓模塊、上部模塊（包含工藝模塊和動力模塊等）以及其他結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)塔、起重機以及燃燒臂等）。由于FPSO整體為金屬結(jié)構(gòu)，其對雷電的直接打擊具有雙重保護作用：1）金屬結(jié)構(gòu)起到“法拉第籠”的作用，可對直擊雷形成有效防護；2）FPSO頂部的金屬結(jié)構(gòu)可捕獲雷電，起到補充保護作用。

根據(jù)IEC 62305-3規(guī)范的要求，可采用滾球法對FPSO頂部金屬結(jié)構(gòu)的保護范圍進行評估。滾球法將雷電假定為一個半徑為30 m的虛擬球體，該球體滾過FPSO結(jié)構(gòu)，被球體直接接觸到的部分均會受到雷電的直接打擊。FPSO頂部金屬結(jié)構(gòu)提供的保護范圍應能夠包括所有不能直接暴露于雷擊危險中的設備。

根據(jù)IEC 62305-3規(guī)范的要求，對于“0類”和“1類”危險區(qū)域，必須采取應對直擊雷的防護措施，若危險區(qū)域部分位于防護措施的保護范圍之外，則還需設計專門的防雷系統(tǒng)。直擊雷防護設備主要有雷電接閃器、引下線和接地終端裝置，根據(jù)被保護對象的不同采取相應的配置。雷電接閃器可安裝在被保護物的本體上，將被保護物及其基礎作為雷電接閃器的支持體和接地裝置。

根據(jù)相關規(guī)定，只有具備如下3點特征的船體結(jié)構(gòu)才被認為擁有防止直擊雷損害的能力：1）電連續(xù)；2）嚴密密封，防止液體、蒸汽或氣體逸出；3）鋼板厚度不小于4.8 mm。

對于位于露天區(qū)域的“2類”危險區(qū)域，在通風得到保證的情況下，無須設置特定的防護措施。

2.4 雷電電磁脈沖防護

在發(fā)生雷電直擊時，船體內(nèi)部可能會產(chǎn)生雷電電磁脈沖，雷電電磁脈沖進入船體內(nèi)部主要有4種渠道：1）沿各種金屬導體（信號電纜、電力電纜等）進入；2）通過電容耦合通道進入；3）通過電感耦合通道進入；4）電阻耦合進入。

為有效應對雷電電磁脈沖，可采取隔離、衰減和抑制等3種防護措施：1）隔離。隔離往往是最有效的辦法，電力線路使用隔離變壓器隔離，信號和控制線路使用光纖電纜隔離。2）衰減。采用屏蔽電纜和金屬鎧裝電纜等屏蔽措施以減輕外部磁場引起的感應過電壓。3）抑制。通常是最后使用的措施，通過電涌保護器限制瞬態(tài)過電壓和分流電涌電流。

需要注意的是，F(xiàn)PSO可視為一個巨大的法拉第籠，其結(jié)構(gòu)是船上所有設備的主要保護措施。此外，所有電纜均采用金屬鎧裝并通過金屬托架或管道進行鋪設，電纜連接到船舶的金屬結(jié)構(gòu)上，保證良好的接地效果。因此，只需要在一小部分雷擊最容易到達的船內(nèi)終端設備處配置電涌保護器即可，如通信天線和氣象傳感器的同軸電纜終端。

2.5 工作人員防護

迄今為止，沒有裝備能使室外工作的人員免受雷擊傷害。為有效保護室外工作人員，可根據(jù)IEC 62305-2標準進行風險分析。風險分析會得出在FPSO不同地點的工作人員的暴露水平、風險水平及傷害概率，并通過建立相應的操作程序來管理此風險。

船東需對FPSO附近地區(qū)的風暴情況進行監(jiān)控，當風暴接近FPSO時，觸發(fā)警報并停止任何外部活動，直至解除雷擊風險。

3 雷電防護系統(tǒng)具體配置

3.1 羅經(jīng)甲板

羅經(jīng)甲板位于生活樓模塊的頂部，配有多個通信天線。羅經(jīng)甲板上的設備被羅經(jīng)雷達桅和附近的結(jié)構(gòu)保護，免受直擊雷的損害。為減少對天線的干擾，不宜過多安裝防雷塔，只需要在雷達桅的頂部安裝一個避雷桿，該避雷桿與雷達桅和船體的金屬結(jié)構(gòu)連接良好，不再需要配置額外的接地引線和接地終端。

為減少注入電流的強度、降低過電壓，需選擇帶屏蔽層的電纜作為天線的信號電纜，并在設備終端安裝電涌保護器，電涌保護器的規(guī)格通常以廠家建議為準。

對于安裝在高處的信號燈和示位標，通常采取2種措施：1）控制板電源輸出端安裝變比為1∶1的隔離變壓器；2）變壓器的二次接地應牢固，并配備電涌保護器。

3.2 艏部區(qū)域

由于艏部設有卸載區(qū)，卸載區(qū)受到燃燒臂結(jié)構(gòu)的保護，屬于“2類”危險區(qū)域，不需要補充其他防護措施。燃燒臂的頂端配有燃燒器撬塊，以該撬塊為球心，半徑1 m范圍內(nèi)的球形區(qū)域構(gòu)成了“0類”危險區(qū)域，半徑1～3 m的球形區(qū)域形成了“1類”危險區(qū)域。

根據(jù)常規(guī)布置要求，為保護“0類”和“1類”危險區(qū)域，需配置一個單獨的避雷器，且該避雷器的保護范圍應完全覆蓋“1類”危險區(qū)域。然而，由于該燃燒器撬塊處于露天區(qū)域，在燃燒臂塔頂安裝避雷器的空間有限，在任何位置安裝避雷針均無法對“1類”危險區(qū)域提供完整的保護。此外，由于燃燒臂結(jié)構(gòu)和燃燒器撬塊的距離很近，且高度高于該撬塊，這會大幅度降低危險區(qū)域雷電直擊的概率。再者，燃燒臂塔頂燃燒器撬塊位置高，遠離其他設備，通風良好，這使得危險區(qū)域內(nèi)不會聚集任何氣體?？紤]到以上原因，可不用配置單獨的避雷器。艏部區(qū)域電纜的敷設、選擇，以及電涌保護器的配置及要求均與羅經(jīng)甲板一致。

3.3 艉部區(qū)域

艉部區(qū)域設有裝載設備和直升機甲板，直升機甲板結(jié)構(gòu)可為裝載設備提供部分保護。因為規(guī)范規(guī)定直升機起降不得被任何障礙物影響，故直升機甲板上不能裝有任何保護設備。

艉部裝載區(qū)被列為“2類”危險區(qū)域，其位于直升機甲板下，被雷電直擊的概率非常低，故不需要任何補充保護。艉部區(qū)域電纜的敷設、選擇，以及電涌保護器的配置及要求均與羅經(jīng)甲板一致。

3.4 模塊區(qū)域

模塊區(qū)域為金屬結(jié)構(gòu)，可為安裝在模塊上的設備提供防雷電直擊的保護措施。因此，該區(qū)域不需要任何額外的防雷電直擊的保護措施。

由于上部模塊儀表數(shù)量多、安裝成本高、平臺空間有限、腐蝕風險較高，不建議在上部模塊儀表的電路中安裝電涌保護器。

4 結(jié)論

海工裝備的雷電防護需要考慮實際布置、危險區(qū)域劃分、雷擊風險概率、設備安裝可行性及成本等多個方面。本文以某FPSO為例，對雷電防護系統(tǒng)的標準要求和具體配置進行分析。由分析可知，F(xiàn)PSO的結(jié)構(gòu)為金屬材質(zhì)，可提供大部分的防雷電直擊保護，只需在特定位置增加避雷器即可。為了對雷電電磁脈沖進行防護，所有室外電纜均需要選用屏蔽電纜，在適當?shù)奈恢靡O置隔離變壓器和電涌保護器。