1.本发明属于直接雷电防护技术领域，具体涉及一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法。
背景技术：2.避雷针是用来保护建筑物、各种平台等避免雷击的装置。当雷云放电接近地面时使地面电场发生畸变，在避雷针顶端形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护区域免受雷击伤害。
3.船舶位于开阔的海面上，由于其高耸的桅杆、突出的上层建筑和电子设备天线，极容易受到雷电的袭击。受总体布置条件限制，通常采用桅顶加装一根直立避雷针的设计方法。由于避雷针覆盖区域有限，避雷针高度越高对船平台保护越好，但通常由于桅杆重量重心设计的限制和避雷针结构强度的限制，目前船平台设置的避雷针还不能完全实现对全船天线等重要设备的防护。
4.传统船舶平台的桅杆通常采用三脚支柱型或塔式桅楼结构，结构比较简洁，下部使用三角支柱固定，上部是一根竖立的单柱状桅杆，而避雷针再安装在桅杆顶部，其引下线从桅杆中心或桅杆两侧引下，与船体通过焊接或螺接方式相连。船舶平台的隐身设计需求以及先进雷达技术的发展，牵引出了封闭式桅杆应用，采用了多面体封闭式设计，使多面阵雷达与封闭桅杆巧妙布局，进而构成了以封闭式“宝石塔”状桅杆为中心的上层建筑布局，取代了传统的柱状桅杆，极大地降低了雷达反射截面，具有优秀的隐身性能。且封闭式桅杆顶部还可布置相关传感器，单根直立避雷针的设计方法就不适用了，必须采取其他方法。
5.目前，通过避雷针分布式倾斜布置以保证船舶平台免遭直击雷电危害的设计方法尚属空白。本发明给出了一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法，主要用于封闭桅杆顶部的避雷针分布式布置设计，具有较强的实用性。
技术实现要素：6.本发明的目的在于，提供一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法，解决封闭式桅杆应用背景下，船舶平台的避雷针设计问题，使布置在船舶平台的电子设备天线免受雷电直接袭击，保护电子设备的使用安全。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法，该方法包括以下步骤：
9.将避雷针分布式布置在封闭式桅杆顶部平台边缘，避雷针采用四针方案对称安装于平台四角；将四针均进行倾斜设计，根据船平台以及桅杆顶部布置的电子设备天线高度和位置参数，计算得到各避雷针最优的长度和倾角：
10.(1)考虑甲板面电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
11.设桅杆顶部避雷针的长度为ρ，倾角为β，桅杆顶部平台高度为h'，避雷针同侧的甲
板面电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆为r
x
'，hr为防雷范围约束值，对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：
[0012][0013]
对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和r
x
'进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的避雷针长度下限ρa的参数组合；
[0014]
船舶平台横向截面上，避雷针参数采取同样方法计算；
[0015]
(2)考虑桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0016]
设桅杆顶部避雷针的长度为ρ，倾角为β，桅杆顶部平台距甲板面高h'，避雷针布置间距为d'，避雷针同侧的桅杆顶部平台电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆中心为x，hr为防雷范围约束值，对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：
[0017][0018]
对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和x进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的避雷针长度下限ρb的参数组合；
[0019]
船舶平台横向截面上，避雷针参数采取同样方法计算；
[0020]
(3)考虑甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0021]
在每一个倾角β，取ρa和ρb中较大的值，记为ρ，则当避雷针长度不小于ρ时，能同时实现甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护；对比不同倾角β得到的ρ，从中选择最小值，得到在确保直击雷防护效果前提下的最短避雷针长度。
[0022]
进一步，避雷针通过与平台绝缘的汇流排进行互连，再通过引下线连接至船体。
[0023]
进一步，倾角β取值范围为45
°
到75
°
。
[0024]
进一步，防雷范围约束值hr取30m。
[0025]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0026]
(1)采用船舶桅杆顶部平台四角倾斜分布式避雷针设置方法，不设直立主针，可有效减小避雷针高度，降低顶部结构的重量、重心，化解避雷针结构强度的设计难度，同时对侧击的雷电也提供更好的避雷效果；
[0027]
(2)通过倾斜避雷针安装方式，相比于传统的直立避雷针方式，可以明显增加对甲板面的电子设备天线保护范围，在工程上以更小的结构代价获得更好的直接雷电保护效果。
附图说明
[0028]
图1是船舶平台的分布式避雷针设置示意图；
[0029]
图2是甲板面电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数计算示意图；
[0030]
图3是桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数计算示意图；
[0031]
图4是直立避雷针和倾斜避雷针保护范围示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]
布置在桅杆顶部、上层建筑和甲板面的电子设备天线容易遭受雷电袭击，避雷针的设置应实现对其全面保护，且不对桅杆顶部布置的传感器形成干涉，尽量降低避雷针高度有利于重量重心优化。
[0034]
本发明的船用分布式倾斜避雷针的设计方法，将避雷针分布式布置在封闭式桅杆顶部平台边缘，不设置主避雷针，避雷针采用四针方案对称安装于平台四角，通过与平台绝缘的汇流排进行互连，再通过引下线连接至船体。为增加保护范围、降低避雷针长度，将四针均进行倾斜设计，如图1所示，根据船平台以及桅杆顶部布置的电子设备天线高度和位置参数，计算得到各避雷针最优的长度和倾角。
[0035]
本发明的船用分布式倾斜避雷针的设计方法，包括：
[0036]
(1)考虑甲板面电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0037]
船舶平台的艏艉纵向截面如图2所示，桅杆顶部避雷针的长度为ρa，倾角为β，桅杆顶部平台高度为h'，避雷针同侧的甲板面电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆为r
x
'，hr为防雷范围约束值，设计中通常取30m。对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：
[0038][0039]
式中，h'为已知桅杆平台设计高度值，对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和r
x
'进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的长度下限ρa的参数组合。倾角β建议取值范围为45
°
到75
°
。
[0040]
船舶平台横向截面上，相应的避雷针参数也采取同样方法计算。
[0041]
(2)考虑桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0042]
桅杆平台顶部的艏艉纵向截面如图3所示，桅杆顶部避雷针的长度为ρb，倾角为β，桅杆顶部平台距甲板面高h'，避雷针布置间距为d'，避雷针同侧的桅杆顶部平台电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆中心为x，hr为防雷范围约束值，设计中hr通常取30m。对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：
[0043][0044]
避雷针采用四针方案对称安装于桅杆顶部平台四角，故h'和d'为已知平台设计尺寸，对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和x进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的长度下限ρb的参数组合。倾角β建议取值范围为45
°
到75
°
。
[0045]
船舶平台横向截面上，相应的避雷针参数也采取同样方法计算。
[0046]
(3)考虑甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0047]
在每一个倾角β，取ρa和ρb中较大的值，记为ρ，则当避雷针长度不小于ρ时，能同时实现甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护。对比不同倾角β得到的ρ，
从中选择最小值，就能得到在确保直击雷防护效果前提下的最短避雷针长度。
[0048]
采用本发明的分布式倾斜避雷针的设计方法，具体步骤示例如下：
[0049]
(1)考虑甲板面电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数计算
[0050]
首先假设避雷针同侧的甲板面有两个电子设备天线，高度分别为7m和5m。
[0051]
假设桅杆顶部平台高度h'＝20m，避雷针同侧的甲板面电子设备1的天线高度h
x1
＝7m，位置布置距离桅杆r
x1
'＝10m；甲板面电子设备2的天线高度h
x2
＝5m，位置布置距离桅杆r
x2
'＝13m；防雷范围约束值hr＝30m。
[0052]
把h'、h
x1
、r
x1
'和hr等参数代入公式，β分别取值45
°
、60
°
和75
°
，得到ρa的第一组解分别为1.032、1.24m和1.717m。
[0053]
把h'、h
x2
、r
x2
'和hr等参数代入公式，β分别取值45
°
、60
°
和75
°
，得到ρa的第二组解分别为1.377、1.661和2.327m。
[0054]
由于避雷针处于不同倾角β时，ρa的第二组解均大于第一组解，这意味着按照第二组解设计的避雷针的保护范围能够覆盖按照第一组解设计的避雷针的保护范围，实现甲板面电子设备天线1和2的直击雷防护。因此，(45
°
，1.377)、(60
°
，1.661)和(75
°
，2.327)是三组可以使用的(β，ρa)组合。
[0055]
(2)考虑桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0056]
首先假设桅杆顶部平台有两个电子设备天线，高度分别为1m和0.8m。
[0057]
桅杆顶部平台距甲板面高h'＝20m，避雷针布置间距为d'＝2m；避雷针同侧的桅杆顶部平台电子设备1的天线高度为h
x1
＝1m，布置位置距离桅杆中心为x1＝0.5m；电子设备2的天线高度为h
x2
＝0.8m，布置位置距离桅杆中心为x2＝0.3m；hr为防雷范围约束值，设计中hr通常取30m。
[0058]
把h'、d'、h
x1
、x1和hr等参数代入公式，β分别取值45
°
、60
°
和75
°
，得到ρb的第一组解分别为1.809、1.361和1.117m。
[0059]
把h'、d'、h
x2
、x2和hr等参数代入公式，β分别取值45
°
、60
°
和75
°
，得到ρb的第二组解分别为1.442、1.067和0.909m。
[0060]
由于避雷针处于不同倾角β时，ρb的第一组解均大于第二组解，这意味着按照第一组解设计的避雷针的保护范围能够覆盖按照第二组解设计的避雷针的保护范围，实现桅杆顶部平台电子设备天线1和2的直击雷防护。因此，(45
°
，1.809)、(60
°
，1.361)和(75
°
，1.117)是三组可以使用的(β，ρb)组合。
[0061]
(3)考虑甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数
[0062]
为了实现甲板上天线和桅杆顶部天线的同时防护，当β＝45
°
时，ρ取ρa和ρb中较大的值，为1.809；当β＝60
°
时，ρ取ρa和ρb中较大的值，为1.661；当β＝75
°
时，ρ取ρa和ρb中较大的值，为2.327。综合来看，β＝60
°
时ρ有最小值1.661。因此，(60
°
，1.661)是推荐的避雷针倾角、长度组合。
[0063]
综上所述，本发明的船平台的分布式倾斜避雷针设计方法，使布置于桅杆顶部平台和甲板面的电子设备免遭直接雷电袭击，且具有重量重心低、避雷针长度短的优点，且相比于传统的直立避雷针方式，可以明显增加对甲板面的电子设备天线保护范围，在工程上以更小的结构代价获得更好的直接雷电保护效果，如图4所示。
[0064]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将避雷针分布式布置在封闭式桅杆顶部平台边缘，避雷针采用四针方案对称安装于平台四角；将四针均进行倾斜设计，根据船平台以及桅杆顶部布置的电子设备天线高度和位置参数，计算得到各避雷针最优的长度和倾角：(1)考虑甲板面电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数设桅杆顶部避雷针的长度为ρ，倾角为β，桅杆顶部平台高度为h’，避雷针同侧的甲板面电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆为r
x’，h
r
为防雷范围约束值，对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和r
x’进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的避雷针长度下限ρa的参数组合；船舶平台横向截面上，避雷针参数采取同样方法计算；(2)考虑桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数设桅杆顶部避雷针的长度为ρ，倾角为β，桅杆顶部平台距甲板面高h’，避雷针布置间距为d’，避雷针同侧的桅杆顶部平台电子设备天线高度为h
x
，布置位置距离桅杆中心为x，h
r
为防雷范围约束值，对避雷针长度和倾角的参数计算公式如下：对避雷针同侧、需直击雷防护的各电子设备天线高度h
x
和x进行遍历计算，获得避雷针的倾角β和对应的避雷针长度下限ρb的参数组合；船舶平台横向截面上，避雷针参数采取同样方法计算；(3)考虑甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护的倾斜避雷针参数在每一个倾角β，取ρa和ρb中较大的值，记为ρ，则当避雷针长度不小于ρ时，能同时实现甲板面电子设备天线和桅杆顶部电子设备天线直击雷防护；对比不同倾角β得到的ρ，从中选择最小值，得到在确保直击雷防护效果前提下的最短避雷针长度。2.根据权利要求1所述的船用分布式倾斜避雷针的设计方法，其特征在于，避雷针通过与平台绝缘的汇流排进行互连，再通过引下线连接至船体。3.根据权利要求1所述的船用分布式倾斜避雷针的设计方法，其特征在于，倾角β取值范围为45
°
到75
°
。4.根据权利要求1所述的船用分布式倾斜避雷针的设计方法，其特征在于，防雷范围约束值h
r
取30m。
技术总结本发明公开了一种船用分布式倾斜避雷针的设计方法，该方法包括以下步骤：将避雷针分布式布置在封闭式桅杆顶部平台边缘，避雷针采用四针方案对称安装于平台四角；将四针均进行倾斜设计，根据船平台以及桅杆顶部布置的电子设备天线高度和位置参数，计算得到各避雷针最优的长度和倾角。本发明采用船舶桅杆顶部平台四角倾斜分布式避雷针设置方法，不设直立主针，可有效减小避雷针高度，降低顶部结构的重量、重心，化解避雷针结构强度的设计难度，同时对侧击的雷电也提供更好的避雷效果；且通过倾斜避雷针安装方式，相比于传统的直立避雷针方式，可以明显增加对甲板面的电子设备天线保护范围，在工程上以更小的结构代价获得更好的直接雷电保护效果。接雷电保护效果。接雷电保护效果。
技术研发人员：陈亮 郑生全 王冬冬 邬琪磊
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
