導(dǎo)語(yǔ)：隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越多的向沿海、海島、海洋深藍(lán)處開(kāi)展經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。由此就涉及到相關(guān)的電氣設(shè)備在海洋氣候環(huán)境下的可靠性。
1、熱帶海洋環(huán)境對(duì)產(chǎn)品可靠性的挑戰(zhàn)
熱帶海洋環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨、強(qiáng)雷暴的特征。這種 “三高三強(qiáng)”環(huán)境與常規(guī)環(huán)境條件下的關(guān)鍵特征環(huán)境應(yīng)力參數(shù)有著很大的區(qū)別。
以某海域礁島的氣象環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料為例。其年平均溫度和相對(duì)濕度波動(dòng)范圍極小，像是一個(gè)天然的恒溫恒濕箱。與相關(guān)的大氣參數(shù)見(jiàn)下表。
這種惡劣環(huán)境將會(huì)嚴(yán)重侵蝕電器設(shè)備，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度下降、介電常數(shù)改變，發(fā)生擊穿、短路和斷路等問(wèn)題，使設(shè)備故障率增加、可靠性降低。因此，處于熱帶海洋環(huán)境下的電氣設(shè)備，必須具備抵御惡劣海洋大氣環(huán)境侵蝕的能力，其“三防”性能是系統(tǒng)性的重要技術(shù)要求之一。
另外熱帶季風(fēng)海洋性氣候的雷電活動(dòng)頻繁。以海南島為例，各市縣的年均雷暴日數(shù)平均在130天左右，2010年-2020年期間統(tǒng)計(jì)平均每年發(fā)生雷電18.84萬(wàn)次，屬于強(qiáng)雷區(qū)域。雷電的電流幅值（是指一次雷擊中監(jiān)測(cè)到的峰值電流）可達(dá)10kA~100kA，甚至更高。雷電災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在當(dāng)?shù)刈匀粸?zāi)害中僅次于臺(tái)風(fēng)，已成為海島破壞性最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一。
以下就熱帶海洋氣候環(huán)境下電氣設(shè)備“三防“問(wèn)題和防雷及接地問(wèn)題進(jìn)行一些基本討論。
2、三防問(wèn)題機(jī)理及應(yīng)對(duì)原則
2.1 潮濕
當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于80%時(shí)，電氣設(shè)備中的有機(jī)和無(wú)機(jī)材料構(gòu)件由于受潮將增加重量、膨脹、變形，金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕也會(huì)加速。如果絕緣材料選用及工藝處理不當(dāng)，則絕緣阻抗會(huì)迅速下降，以致絕緣被擊穿。為保證電氣產(chǎn)品的可靠性，防潮濕設(shè)計(jì)顯得特別重要。一般性處理原則包括：
⑴用噴涂、浸漬、灌封、憎水等工藝對(duì)重要器件進(jìn)行防水處理。
⑵采用低潮敏等級(jí)的電子元器件和吸濕性較低的結(jié)構(gòu)材料。
⑶對(duì)防潮要求高的器件采用局部密封結(jié)構(gòu)。
⑷改善整機(jī)使用環(huán)境，如采用空調(diào)、安裝加熱去濕裝置等。
⑸對(duì)電子線路板表面涂敷三防漆，避免潮氣的侵入。
⑹對(duì)非經(jīng)常使用的設(shè)備，應(yīng)在電氣機(jī)柜機(jī)箱內(nèi)放置適量干燥劑，外套防塵罩。
2.2 鹽霧
鹽霧指懸浮在大氣中的氣溶液狀的Na2O粒子。海風(fēng)引起海面擾動(dòng)和漲、落潮時(shí)，海水相互間的沖擊和海浪拍擊海岸，致使很多海浪粒子拋入空中，水分發(fā)蒸后，形成極小的鹽粒，在大氣團(tuán)的平流和紊流交換作用下，在空氣中散開(kāi)來(lái)，并隨風(fēng)流動(dòng)形成鹽霧。鹽霧與潮濕空氣結(jié)合時(shí)，其中所含的直徑很小的氯離子對(duì)金屬保護(hù)膜有穿透作用。鹽和水結(jié)合能使材料導(dǎo)電，使絕緣電阻降低，引起金屬電蝕、化學(xué)腐蝕加速，使金屬件與電鍍件受到破壞。在鹽霧環(huán)境中，各類(lèi)端子搭接處腐蝕較為明顯：銅-銅接頭腐蝕比較輕；鋁-鋁接頭的腐蝕就很?chē)?yán)重；銅-鋁接頭處則明顯可看出，鋁接頭側(cè)通常會(huì)白色斑斑，并有燒傷的痕跡。如果不加以預(yù)防，會(huì)造成空氣開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)、接觸器，變壓器等設(shè)備的正常工作。一般性處理原則包括：
（1）采用密封結(jié)構(gòu)
① 電氣產(chǎn)品盡可能安裝在室內(nèi)，對(duì)于室外的電氣產(chǎn)品，外殼應(yīng)采用熱鍍鋅板和不銹鋼板。
② 電氣機(jī)柜需要達(dá)到適應(yīng)環(huán)境要求的IP防護(hù)等級(jí)，對(duì)于一些大功率的電氣產(chǎn)品，可以采用水冷方式，避免因風(fēng)道設(shè)計(jì)造成的防護(hù)等級(jí)降低的情況，使電氣器件工作在一個(gè)密封的柜體中，減少鹽霧的侵蝕。
（2）采用鹽霧能力強(qiáng)的材料和工藝
①緊固件及其它配件，采用不銹鋼材質(zhì)。
②在電氣設(shè)備安裝時(shí)，可在導(dǎo)電端子搭接處接觸面涂敷導(dǎo)電膏，這樣可以有效的抗鹽霧腐蝕。
③用硅膠絕緣子取代瓷絕緣子。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，瓷絕緣子上的沉積物被電離，形成導(dǎo)電性薄膜，產(chǎn)生電暈放電，使瓷絕緣子表面溫度產(chǎn)生不均勻升高，從而導(dǎo)致絕緣子爆裂。而硅膠絕緣子具有體積小、重量輕、耐污性能好；不需零值測(cè)量；所需的爬電距離比瓷和玻璃絕緣子所需爬電距離平均少30％。
④關(guān)鍵的金屬結(jié)構(gòu)件，全部采用熱鍍鋅板或不銹鋼板，增強(qiáng)防鹽霧腐蝕能力，提高機(jī)械使用壽命。
2.3 霉菌
霉菌在一定溫度、濕度（一般溫度在25℃~35℃，相對(duì)濕度在80%以上）的環(huán)境條件，繁殖生長(zhǎng)迅速。霉菌在新陳代謝中能分泌出大量的酵素和有機(jī)酸，對(duì)材料進(jìn)行分解反應(yīng)或老化，影響材料的機(jī)械性能和外觀。分泌物所含的弱酸會(huì)使電工儀表的金屬細(xì)線腐蝕斷裂，損壞電路功能。尤其在光學(xué)檢測(cè)相關(guān)的儀器上長(zhǎng)霉，會(huì)使玻璃的反射和透光性能明顯下降，破壞光學(xué)性能。
特別是不抗霉菌的材料最容易被霉菌分解，并作為它的食物而直接被破壞，導(dǎo)致材料物理性能的明顯惡化。在絕緣材料上生長(zhǎng)的霉菌絲含有水分，水具有導(dǎo)電性，因而影響電子產(chǎn)品及材料的電氣性能。有時(shí)菌絲層會(huì)越過(guò)絕緣材料形成電氣回路，使絕緣材料的絕緣電阻明顯降低。通電時(shí)容易造成短路，燒壞儀器。菌絲還可能改變等效電容，使設(shè)備的諧振電路不協(xié)調(diào)，可能給某些電氣設(shè)備造成嚴(yán)重故障。
電氣產(chǎn)品內(nèi)部的元器件材質(zhì)一般分為金屬與非金屬。金屬在水、鹽霧、霉菌的環(huán)境中會(huì)加快氧化腐蝕；非金屬在陽(yáng)光、氧、鹽霧以及粉塵中也會(huì)加快腐蝕。因此，必須采取防止發(fā)生氧化反應(yīng)的措施，防止環(huán)境因素對(duì)電氣產(chǎn)品因機(jī)械性能的變化導(dǎo)致電性能發(fā)生變化并對(duì)其造成破壞。一般性處理原則包括：
（1）控制環(huán)境條件來(lái)抑制霉菌生長(zhǎng)，例如采用防潮、通風(fēng)、降溫等措施。在機(jī)體內(nèi)部較關(guān)鍵的位置使用防霉涂層和封裝防霉劑。
（2）采用抗霉材料，如皮革含有天然有機(jī)物，極易受霉菌侵蝕。而無(wú)機(jī)礦物材料，則不易長(zhǎng)霉。
（3）防霉包裝，對(duì)內(nèi)裝物進(jìn)行防潮，以降低包裝容器內(nèi)的相對(duì)濕度，并對(duì)包裝材料進(jìn)行防霉處理等。
3、三防設(shè)計(jì)
“三防”設(shè)計(jì)就是調(diào)查產(chǎn)品在貯存、運(yùn)輸和工作過(guò)程中可能遇到潮濕、鹽霧、霉菌等環(huán)境影響因素，以便研究對(duì)策，采取有效措施，設(shè)計(jì)和制造耐環(huán)境應(yīng)力的電氣產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的可靠性，這也是“三防”設(shè)計(jì)基本出發(fā)點(diǎn)。
“三防”設(shè)計(jì)在海洋氣候環(huán)境下尤為重要，是海洋電氣設(shè)備正常運(yùn)行的重要保證。“三防”設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用具體環(huán)境確定產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)，并根據(jù)防護(hù)等級(jí)選擇防護(hù)性能滿(mǎn)足要求的防護(hù)體系，將其貫徹到整個(gè)系統(tǒng)/設(shè)備的設(shè)計(jì)之中。“三防”的工作應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主的原則，在產(chǎn)品研制時(shí)，即從系統(tǒng)/設(shè)備的總體方案階段介入，在進(jìn)行系統(tǒng)/設(shè)備的功能和性能設(shè)計(jì)時(shí)同步開(kāi)展電路設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)等系統(tǒng)性的“三防”設(shè)計(jì)，并與可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、保障性和電磁兼容性設(shè)計(jì)相融合。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)從結(jié)構(gòu)形式、總體布局、連接方式、材料選擇、工藝措施等方面綜合考慮，并兼顧使用、維修及可能遇到的技術(shù)成熟度等優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案。
電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力影響最大。大多數(shù)腐蝕問(wèn)題都能通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)避免。從潮濕、鹽霧、霉菌對(duì)電子設(shè)備的作用機(jī)理看，三者引起的腐蝕都離不開(kāi)濕度，有了足夠濕度和適宜溫度，才會(huì)產(chǎn)生和加速設(shè)備腐蝕。防潮是海洋大氣環(huán)境中防腐蝕的核心關(guān)鍵問(wèn)題。因此，必須在機(jī)柜環(huán)境控制中采取除濕技術(shù)。對(duì)于柜體內(nèi)出現(xiàn)的凝露積水現(xiàn)象，通常要選擇透濕度小的橡膠作為密封條并增加其厚度以保證密封效果；另一方面，在柜體內(nèi)部放置細(xì)孔硅膠或分子篩吸濕劑，防止高溫高濕環(huán)境中設(shè)備維護(hù)后，溫度下降出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。
3.2 緊固件設(shè)計(jì)與選用
緊固件應(yīng)避免使用十字槽、內(nèi)六角形螺釘，帶頭部的緊固件采用鐓制加工方式，外螺紋采用液壓加工方式。這些要求應(yīng)在設(shè)計(jì)、工藝、采購(gòu)文件中明確。低強(qiáng)度緊固件選用A4等級(jí)的022Cr17Ni12Mo2(316L)，采取鈍化處理，表面為達(dá)克羅涂層；需選用800~1300MPa高強(qiáng)度緊固件時(shí)，應(yīng)采取連續(xù)焊接替代，焊縫表面要采取10年以上長(zhǎng)效防腐措施（參見(jiàn)ISO12944-2環(huán)境分類(lèi)C5-M海洋腐蝕類(lèi)型、ISO12944-5推薦的不同類(lèi)型防腐環(huán)境、不同表面處理等級(jí)及不同使用壽命的涂層配套體系）；非標(biāo)準(zhǔn)緊固件、銷(xiāo)軸按照上述原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)；墊圈、卡箍、開(kāi)口銷(xiāo)，材料選用022Cr17Ni12Mo2(316L) , 表面為達(dá)克羅涂層；彈簧墊圈按照QJ 2963.2-1997《專(zhuān)用彈簧墊圈標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼彈簧墊圈》執(zhí)行。
3.3 連接設(shè)計(jì)
異種金屬面相互接觸，按GJB/Z 25-1991《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南》的規(guī)定，選用電化偶相容的材料。在必須要把不允許接觸的金屬材料裝配在一起時(shí)，應(yīng)采取如下措施：在其中一種金屬上鍍?cè)试S與第二種金屬相接觸的金屬鍍層，或者兩種金屬鍍以同一材質(zhì)鍍層；盡可能擴(kuò)大陽(yáng)極金屬的表面積，縮小陰極金屬表面積。
異種金屬連接面之間涂保護(hù)層或墊入不吸水的非金屬材料或涂敷密封膠；所有金屬緊固件在進(jìn)入異種金屬之前，接觸面均應(yīng)涂敷密封膠；金屬連接面的所有邊緣應(yīng)密封。
3.4 密封防腐設(shè)計(jì)
外露設(shè)備的裝配部分應(yīng)密封連接，縫隙處應(yīng)采用密封膠。安裝緊固件前，應(yīng)在螺紋部位涂密封劑；鋼結(jié)構(gòu)縫隙圓弧過(guò)渡處涂密封膠；有密封要求的插件或裝置，可在安裝面的邊框處加裝密封條，可采用以硅橡膠為基材的O型圏或帶膠密封條；密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部，應(yīng)采取防潮防霉涂敷，設(shè)置防凝露排水裝置，存放干燥劑、防霉劑。
3.5 電連接器選用
電連接器應(yīng)選用防水密封尾罩，且焊點(diǎn)部位需用有機(jī)硅膠進(jìn)行灌封；電連接器連接后，連接處縫隙采用硅橡膠、如GD414密封；需要經(jīng)常插拔的電連接器應(yīng)配有與殼體相同材質(zhì)的保護(hù)蓋。
3.6 電纜選用與灌封設(shè)計(jì)
應(yīng)根據(jù)電纜的實(shí)際使用要求、敷設(shè)位置、貯存及工作環(huán)境，確定電纜絕緣、護(hù)套、編織層及結(jié)構(gòu)，綜合選擇電纜型號(hào)規(guī)格；全部電纜應(yīng)按條件最?lèi)毫忧闆r選擇成型電纜。
電纜應(yīng)對(duì)連接器焊點(diǎn)進(jìn)行灌封。灌封高度應(yīng)至少?zèng)]過(guò)焊點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要確定具體灌封高度；灌封材料應(yīng)具有良好的耐環(huán)境能力，且物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。灌封材料應(yīng)具有低的吸潮性、較好的抗紫外線能力；對(duì)于有尾罩的電連接器，灌封時(shí)推薦使用硅橡膠類(lèi)材料，尾罩與電纜連接處采用帶膠熱縮套管進(jìn)行密封處理；對(duì)于無(wú)尾罩的電連接器，灌封時(shí)應(yīng)根據(jù)工作溫度的差異選擇不同的灌封膠。推薦使用聚氨酯類(lèi)材料，如GF—1。高溫(80℃以上)工作時(shí)推薦使用硅橡膠類(lèi)材料,如GN—512。灌封時(shí)應(yīng)根據(jù)電連接器的外形尺寸和電纜安裝位置要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的灌封工裝。
3.7金屬鍍覆層
按照QJ 450B—2005《金屬鍍覆層厚度系列與選擇原則》中表4，選擇金屬鍍覆層的類(lèi)別和厚度。對(duì)于鋼鐵（不銹鋼除外）材料，應(yīng)采取鍍鎘（鋅）鈍化、鍍鋅鎳合金、熱滲鋅、達(dá)克羅技術(shù)等措施；鋼鐵制品采用電鍍鋅、鎘、鋅鎳合金等處理方法時(shí)，鍍層厚度應(yīng)為25μm~30μm；無(wú)孔、凹槽等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)精度要求的制品可以采用熱滲鋅的處理方式。有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、防靜電、耐磨、裝飾等特殊要求的制品表面，應(yīng)按照QJ 450B的要求選用合理的工藝。有耐磨要求的可采用鍍硬鉻方式，但必須保證鍍鉻層始終處于油脂環(huán)境中；具有防護(hù)裝飾要求的銅及銅合金制件，采用鍍鋅鎳合金、鍍鉻；具有可焊性要求的銅和銅合金制件，采用鍍錫鎳合金、錫鉛合金；銅質(zhì)印制板導(dǎo)熱條（板）鍍黑鉻；印制板的插腳、焊盤(pán)及覆銅層必須按QJ 488A—1995《印制電路板電鍍錫鉛合金工藝技術(shù)要求》的規(guī)定鍍錫鉛合金。
3.8 化學(xué)覆蓋層
按照QJ 450B中表4選擇化學(xué)覆蓋層的類(lèi)別和厚度；精密件、焊接件、鉚接件選用鋁合金鉻酸陽(yáng)極氧化鉻酸鹽處理的方法；要求導(dǎo)電的零件選用鋁合金化學(xué)導(dǎo)電氧化的方法；有潤(rùn)滑要求的鋼鐵制品可以采用化學(xué)氧化的處理方法，但此膜層不能單獨(dú)作為防護(hù)層，必須在油脂中才能起作用；對(duì)于不便鍍鋅處理的鋼鐵制品，噴漆前應(yīng)進(jìn)行磷化處理。
3.9 有機(jī)涂敷層
印制板、分立元器件及整機(jī)采用涂敷“三防”漆或“三防”保護(hù)劑；與硅橡膠粘接及灌封的印制件涂敷兩遍DBSF6101“三防”保護(hù)劑，或先涂敷聚氨酯清漆，然后涂敷DBSF6101 “三防”保護(hù)劑；其他印制件先涂敷聚氨酯清漆，再涂加防霉劑的聚氨酯清漆；鍍銀制品需涂敷GJB1300—1991《DJB—823固體膜保護(hù)劑》規(guī)定的DJB—823固體薄膜保護(hù)劑，以防止銀層變色，涂敷工藝參照GJB 1385—1992《DJB—823固體薄膜保護(hù)劑涂敷工藝》執(zhí)行；一般的銅和銅合金制品、非金屬材料及其制品（包括尼龍和環(huán)氧樹(shù)脂）表面應(yīng)涂聚氨酯清漆。
3.10 焊接工藝
不允許在雨、雪天氣下進(jìn)行露天熔焊作業(yè)；暴露在室外的焊接件需采取連續(xù)焊，焊縫處應(yīng)修平，無(wú)殘留焊料、熔渣；陽(yáng)極化后鋁合金零件嚴(yán)禁在陽(yáng)極化膜未去除前焊接；禁止使用對(duì)基體金屬及焊料腐蝕性大的焊劑，不應(yīng)在焊點(diǎn)處留有腐蝕性的焊劑及焊渣。
3.11 設(shè)備內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)選型及工藝
設(shè)備內(nèi)部電子部分的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)工作同樣不可忽視。在前期設(shè)計(jì)階段的器件選型，尤其是通用電路設(shè)計(jì)使用的板上連接器、撥碼開(kāi)關(guān)、繼電器等無(wú)法灌封防護(hù)又對(duì)電氣部分影響重大的器件，環(huán)境適應(yīng)性不佳，必須重新進(jìn)行器件優(yōu)選；對(duì)帶電池（組）的設(shè)備，必須考慮電池接觸面的氧化問(wèn)題引起接觸電阻增大，導(dǎo)致長(zhǎng)期使用后存在較大發(fā)熱甚至燒毀風(fēng)險(xiǎn)；電池組的級(jí)聯(lián)連接器的端頭不應(yīng)裸露，需要做密封防護(hù)，如做塑封預(yù)制，連接觸點(diǎn)選用抗腐蝕材料，如鍍金觸點(diǎn)；繼電器密封或者選用觸點(diǎn)抗腐蝕性強(qiáng)的電磁繼電器。其它存在電化學(xué)腐蝕失效機(jī)理的電子元器件，都建議要選型優(yōu)化；
除了器件選型方面的問(wèn)題，PCB的防護(hù)方案選擇、涂覆材料的選擇、涂覆工藝的執(zhí)行和檢驗(yàn)都需要充分考慮、合理設(shè)計(jì)工藝路線確保涂覆工藝落實(shí)到位。
3.12 過(guò)程控制要求
工藝人員應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)人員提出的腐蝕控制設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工藝審查簽署，確認(rèn)腐蝕控制措施的可實(shí)施性。在產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、涂覆、熱處理、裝配、調(diào)試等過(guò)程中，應(yīng)對(duì)可能影響產(chǎn)品“三防”性能的特性、結(jié)構(gòu)等，提出確認(rèn)、檢查和控制要求；對(duì)于有“三防”要求的產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，尤其是相互接觸的材料特性、表面處理（電鍍、涂漆等）、工藝孔的處理、結(jié)構(gòu)件安裝方法等，在工藝設(shè)計(jì)上應(yīng)該明確提出“三防”保證和質(zhì)量控制措施；對(duì)于模塊、繼電器、接觸器、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等類(lèi)器件，裝配完成后，應(yīng)在保證器件散熱、部件動(dòng)作和觸點(diǎn)功能的同時(shí)，明確“三防”保護(hù)和涂覆要求。
工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的產(chǎn)品防護(hù)，并配置防護(hù)設(shè)施，不得損壞“三防”保護(hù)措施。生產(chǎn)、加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制限用工藝，杜絕禁用工藝；應(yīng)針對(duì)限用工藝限用原因采取措施，將限用工藝的使用納入工藝規(guī)范或編制專(zhuān)用工藝規(guī)程，并經(jīng)過(guò)評(píng)審和審批。對(duì)操作者進(jìn)行培訓(xùn)，操作過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行。
在外協(xié)配套件及相關(guān)產(chǎn)品、元器件、原材料采購(gòu)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品“三防”性能提出驗(yàn)收要求和保護(hù)措施，并通過(guò)有效的方法確保實(shí)施；售后服務(wù)過(guò)程中修復(fù)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)明確“三防”要求并按規(guī)定進(jìn)行質(zhì)量控制，操作、檢驗(yàn)人員應(yīng)按照規(guī)定對(duì)“三防”措施進(jìn)行落實(shí)、檢查。
4、海上雷電的影響及防雷標(biāo)準(zhǔn)
4.1 海上雷電活動(dòng)的特點(diǎn)
劇烈的對(duì)流云(雷暴云)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象稱(chēng)為雷電或閃電。雷電的危害主要包括直擊雷的危害和感應(yīng)雷的危害。
（1）直擊雷的危害
直擊雷可能使海上設(shè)施比如石油天然氣處理系統(tǒng)、含易燃易爆氣體的放空設(shè)備等發(fā)生爆炸和火災(zāi)，或者導(dǎo)致電氣設(shè)備、通信設(shè)備、儀表等弱電系統(tǒng)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。
1)熱效應(yīng)。遭受直擊雷時(shí)，雷電流峰值可以高達(dá)幾萬(wàn)~幾十萬(wàn)安培，雷電流從雷擊點(diǎn)注入被擊物體，所產(chǎn)生的熱量使被擊物體產(chǎn)生很高的溫升，造成被擊物體損毀。
2)電動(dòng)力效應(yīng)。雷電流流過(guò)金屬物體時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)作用可能導(dǎo)致一些金屬構(gòu)件發(fā)生扭曲，對(duì)具有金屬構(gòu)件的裝置造成結(jié)構(gòu)損毀。
（2）雷電感應(yīng)的危害
海上設(shè)施的電氣及控制設(shè)備主要布置在封閉的鋼制房間或箱體內(nèi)，形成一個(gè)“法拉第籠”屏蔽體，但與其連接的室外天線、安裝在高處的儀表、照明燈具等往往通過(guò)電纜與其連接，由于雷電感應(yīng)效應(yīng)，雷電流產(chǎn)生的瞬間電磁脈沖仍然會(huì)通過(guò)空間耦合對(duì)其造成破壞。主要破壞途徑體現(xiàn)在雷電波沿通信天線、電力線纜、儀表等侵入到設(shè)備，雷電電磁脈沖在開(kāi)口環(huán)路上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，可能導(dǎo)致打火，損壞電氣設(shè)備，對(duì)含有爆炸危險(xiǎn)性氣體的環(huán)境存在極大的爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
4.2 現(xiàn)行海洋工程規(guī)范中的防雷要求
（1）IEC 標(biāo)準(zhǔn)
IEC 61892 系列標(biāo)準(zhǔn)是海洋石油工程設(shè)計(jì)及施工中的常用標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61892-6對(duì)直接損傷的雷電防護(hù)(直擊雷)及間接損傷的雷電防護(hù)(雷電感應(yīng))做了詳細(xì)的規(guī)定。
對(duì)直擊雷防護(hù)，該標(biāo)準(zhǔn)明確從最高點(diǎn)至接地均通過(guò)跨界和焊接提供低阻通路的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施無(wú)需提供保護(hù)系統(tǒng)，金屬桅桿或金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)組成部分或全部保護(hù)系統(tǒng);對(duì)于非金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施或有足夠數(shù)量的非金屬設(shè)備的設(shè)施應(yīng)提供保護(hù)系統(tǒng)。
船舶電氣裝置設(shè)計(jì)規(guī)范IEC60092-401 中也有類(lèi)似的規(guī)定。
（2） 美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API14F(海上固定和浮式石油生產(chǎn)設(shè)施電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)推薦做法)在海洋石油工程電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，但API14F本身并沒(méi)有與海上設(shè)施的防雷做具體規(guī)定，而是引用了APIRP2003(靜電、閃電及雜閃電流引起火花的防護(hù)的推薦做法)和NFPA780(美國(guó)雷電保護(hù)系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn))規(guī)范。
API RP 2003 明確規(guī)定接地良好的金屬罐體、設(shè)備和結(jié)構(gòu)可以作為雷電流的泄放通路;桅桿及其他突出物接地良好的鋼制海船認(rèn)為已可以防止直擊雷的破壞;并強(qiáng)調(diào)應(yīng)注意放空口的保護(hù)。
NFPA 780 規(guī)定對(duì)于船舶，桅桿、扶手吊艇架及懸臂梁等金屬部件可作為接閃器使用，并推薦采用滾球法進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)與校核。
（3）船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)
挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNVOS-D201僅對(duì)非金屬船舶及具有非金屬桅桿的船舶要求配置雷電保護(hù)系統(tǒng)。
中國(guó)船級(jí)社《移動(dòng)平臺(tái)入籍規(guī)范》中規(guī)定:對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)平臺(tái)，其金屬桅桿及構(gòu)件和船體構(gòu)成固有的對(duì)地低電阻通路，所以無(wú)需另設(shè)避雷系統(tǒng)。
（4） 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
1)海上固定平臺(tái)安全規(guī)則/FPSO 安全規(guī)則海上固定平臺(tái)安全規(guī)則和FPSO安全規(guī)則均未對(duì)防雷設(shè)計(jì)做具體規(guī)定，僅要求“應(yīng)按所用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求確定平臺(tái)上需要避雷的設(shè)施和處所，并采取有效的避雷措施”。
2) GB 50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范
GB 50057 為國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，適用于國(guó)內(nèi)所有新建、擴(kuò)建及改建(構(gòu))筑物的防雷設(shè)計(jì)。根據(jù)GB 50057規(guī)定，海洋設(shè)施應(yīng)屬于第一類(lèi)防雷建(構(gòu))筑物。對(duì)于第一類(lèi)防雷建(構(gòu))筑物的直擊雷防護(hù)，應(yīng)裝設(shè)獨(dú)立接閃桿或架空接閃線或網(wǎng)，使被保護(hù)的建筑物及風(fēng)帽、放散管等突出屋面的物體均處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)建筑物太高或其他原因難以裝設(shè)獨(dú)立的外部防雷裝置時(shí)，可將接閃桿或接閃網(wǎng)或由其混合組成的接閃器直接裝在建筑物上。
5、海洋工程中雷電防護(hù)措施
海上或海島設(shè)施的防雷是一個(gè)綜合系統(tǒng)工程，外部和內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行整體綜合考慮。外部防雷主要是防直擊雷，通過(guò)接閃器、引下線和接地裝置，將強(qiáng)大的雷電流導(dǎo)入大地；內(nèi)部防雷主要是防感應(yīng)雷及雷電侵入波，設(shè)計(jì)中要綜合考慮接地、屏蔽、等電位連接、電纜布線及浪涌保護(hù)器(SPD)的配置。
5.1 外部防雷設(shè)計(jì)
外部防雷裝置主要包括接閃器、引下線和接地裝置。
1)接閃器。海上石油設(shè)施往往孤立于海面上，周?chē)茈y設(shè)置獨(dú)立的接閃器使整個(gè)設(shè)施處于其保護(hù)范圍內(nèi)，即使可以設(shè)置，經(jīng)濟(jì)上也不合理。此時(shí)可參考 GB 50057 標(biāo)準(zhǔn)4.2.4 節(jié)條文:“第一類(lèi)防雷建筑物由于太高或其它原因，難以裝設(shè)獨(dú)立的外部防雷裝置時(shí)，可將接閃桿或網(wǎng)格不大于 5 mX5m或6mx4m的接閃網(wǎng)或由二者混合組成的接閃器直接裝在建筑物上”。
石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50650中，也明確規(guī)定宜利用符合規(guī)定的生產(chǎn)設(shè)備的金屬實(shí)體作為防直擊雷的接閃器，對(duì)于海上石油設(shè)施，通常為鋼制結(jié)構(gòu)物，整體形成了固有的對(duì)地低電阻通路，無(wú)需另設(shè)避雷系統(tǒng)。但對(duì)于一些通信設(shè)備、冷放空口、航空障礙燈、布置在高處的儀表等，可能不在鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)范圍之內(nèi)，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)給予特別重視，根據(jù)需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的防雷裝置。
2)引下線。陸地建筑物防雷的常規(guī)做法一般都專(zhuān)設(shè)引下線。海上石油設(shè)施一般為鋼結(jié)構(gòu)焊接型式，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防雷引下線規(guī)格要求，可以利用鋼結(jié)構(gòu)作為引下線。
3)接地裝置。海上石油設(shè)施普遍采用的固定式導(dǎo)管架平臺(tái)或浮式結(jié)構(gòu)，樁腿及結(jié)構(gòu)浮體與海水接觸良好，接地電阻很低，可認(rèn)為是可靠的接地裝置。對(duì)于海島或固定建筑物平臺(tái)上的電氣設(shè)施（如發(fā)電廠、變電所、儲(chǔ)能裝置），敷設(shè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，是集工作接地、保護(hù)接地和防雷接地為一體的良好接地裝置。
5.2 內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)
海上設(shè)施的內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)主要從等電位、屏蔽與合理布線、浪涌保護(hù)器的配置三個(gè)方面考慮。
1)等電位連接。海上石油設(shè)施通常為鋼制結(jié)構(gòu)物，鋼結(jié)構(gòu)主要采用焊接連接，整體形成固有的低電阻通路，本身即為一個(gè)等電位體，并且按照施工規(guī)范要求，設(shè)備外殼以及電纜鎧裝層等均要有效接地。
2)屏蔽與合理布線。海上石油設(shè)施電氣及儀表控制系統(tǒng)的主要設(shè)備均布置在設(shè)備房間內(nèi)，設(shè)備房間整體為鋼制，理論上是一個(gè)完美的“法拉第籠”;海上石油設(shè)施的動(dòng)力電纜一般均采用鎧裝電纜，鎧裝層有效接地，儀表控制電纜通常也均采用屏蔽電纜。這些設(shè)計(jì)對(duì)電磁屏蔽起到良好的效果,對(duì)雷電電磁脈沖也可起到良好的抑制效果。
3)浪涌保護(hù)器(SPD)的配置。浪涌保護(hù)器是一種限制瞬時(shí)過(guò)電壓及分走尖峰電流的器件，對(duì)各種弱電系統(tǒng)提供安全防護(hù)。但從經(jīng)濟(jì)性考慮，也不可能為所有I/O和控制設(shè)備都配置浪涌保護(hù)器，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備及易受雷擊的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備配置浪涌保護(hù)器。
6、電氣設(shè)備內(nèi)硬件接地設(shè)計(jì)
上述防雷設(shè)計(jì)主要討論了海上或海島建筑物的外部和內(nèi)部的防雷接地系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要討論一下關(guān)于系統(tǒng)設(shè)備硬件電路的接地設(shè)計(jì)。
為了電氣系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行和人身、設(shè)備安全保護(hù)的需要，接地是一個(gè)極為重要的手段。接地的基本原理就是要建立電流的低阻抗通路。
按接地的作用不同可以分為兩大類(lèi)：保護(hù)性接地（比如：防雷接地、保護(hù)接地、防靜電接地等）和功能性接地（比如：系統(tǒng)接地、邏輯接地、信號(hào)接地、數(shù)字地、模擬地、輸入輸出地、通訊接口隔離地、屏蔽接地等）在一個(gè)系統(tǒng)中，各種地線都存在電氣上或是物理上的聯(lián)系，不一定有明確的劃分。在地系統(tǒng)中，有時(shí)一個(gè)“地”既要承擔(dān)保護(hù)地，又承當(dāng)防雷地的作用；或既承擔(dān)工作地，又承擔(dān)保護(hù)地的作用。
接地設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于海洋環(huán)境下設(shè)備內(nèi)部硬件電路的抗雷擊引起的浪涌干擾以及電源/信號(hào)完整性、EMC性能至關(guān)重要。雖然系統(tǒng)設(shè)備的接地和單板接地最終往往都是接入大地，但是中間的接地路徑以及組合情況分為：如單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、浮地。
（1）單點(diǎn)接地適合小信號(hào)和模擬電路
在小信號(hào)和模擬電路中，mV的干擾就有可能會(huì)影響電路的性能，單點(diǎn)接地可以控制電流的路徑，避免地環(huán)路的形成。
（2）多點(diǎn)接地適合高頻電路設(shè)計(jì)
在高頻電路中，引線電感和寄生電容都有可能破壞單點(diǎn)接地，反而構(gòu)成大的接地阻抗和隱性的地環(huán)路。
在單點(diǎn)接地很難達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，就需要采用多點(diǎn)接地。同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，以減小各接地點(diǎn)之間的阻抗，避免形成較大的地電位差。
一般在設(shè)備硬件電路上，模擬電路和數(shù)字電路共存，在設(shè)計(jì)中往往采用單點(diǎn)和多點(diǎn)混合接地的方式。在數(shù)字電路中采用多點(diǎn)接地或大面積接地方式；在模擬電路中，則采用單點(diǎn)接地。單板內(nèi)部細(xì)分的各種信號(hào)地，在物理上盡量分開(kāi)布局，可以單點(diǎn)連接，或直接連接，但是不要形成兩點(diǎn)以上的多點(diǎn)連接，以免形成單板上的地環(huán)路。
（3）浮地設(shè)計(jì)
浮地是指設(shè)備的系統(tǒng)地或信號(hào)地在電氣上與大地（PGND）采取高阻抗連接的一種接地方式，其目的是將電路（或設(shè)備）與公共地、或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開(kāi)來(lái)。建議單板采用浮地設(shè)計(jì)。為了消除靜電積累的影響，需要在設(shè)備和大地之間接一個(gè)1MΩ以上的大電阻泄放。同時(shí)在系統(tǒng)地和PGND之間預(yù)留1個(gè)1000pF以上的Y電容，根據(jù)實(shí)際EMC調(diào)試確定是否焊接，及容值大小。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
