Συμβολή στη μελέτη της αντικεραυνικής προστασίας πλοίου

Abstract

With the extended electrification of all onboard systems and the use of vital electronic equipment lightning arises as a serious danger for ships. In the present dissertation the physical procedures of the interaction between lightning and the hull of a ship are at first analyzed along with the relative performed research and the requirements of the regulations. Overestimation of the resulting protection zone on a complex ship geometry was concluded by comparing results from impulse voltage experiments on a scaled down ship model to the calculations of lightning protection zone models. Lightning interception probability and proximity effects were highlighted as dominant factors. The needs of an impulse current injection experiment on a scaled down ship model are investigated through measurements on grounding electrodes placed in an electrolytic tank with application of the Similarity Theory and Dimensional Analysis. According to lightning incidence calculations on various ship models, a lightning strike is expected on a ship approximately every two or three years on coastal areas with intense lightning activity. Meanwhile, a thorough procedure was developed for the execution of lightning shielding analysis on the masts of a ship incorporating the statistical nature of lightning. Apart from the external lightning protection system, the need for internal lightning protection with the installation of surge protective devices was outlined through electromagnetic simulations of various lightning strike scenarios on a 3d ship geometry with embedded basic routes of cable harness. The calculated induced overvoltages in the ship electric network might even reach during a subsequent lighting strike 2kV for indoor cables close to openings or 5kV for exposed outdoor cables and they are coupled to distances deep below the deck. Therefore, the further investigation of the immunity requirements for marine equipment according to IEC 60945 and IEC 60533 and their possible reassessment to higher surge immunity levels is proposed.

Με τον εκτεταμένο εξηλεκτρισμό και τη χρήση ζωτικής σημασίας ηλεκτρονικού εξοπλισμού στα συστήματα ενός πλοίου το φαινόμενο του κεραυνού αναδεικνύεται σε σοβαρό παράγοντα κινδύνου. Στην παρούσα διατριβή γίνεται αρχικά ανάλυση των φυσικών μηχανισμών αλληλεπίδρασης του κεραυνικού πλήγματος με τη δομή ενός πλοίου και καταγραφή της διεξαχθείσας έρευνας και των απαιτήσεων των σχετικών κανονισμών. Η σύγκριση μετρήσεων της ακτίνας σύλληψης και της απόστασης πρόσκρουσης από επιβολές κρουστικής τάσης σε υπό κλίμακα δοκίμιο πλοίου με τα αποτελέσματα εμπειρικών μοντέλων ανέδειξε την υπερεκτίμηση της παρεχόμενης ζώνης προστασίας στη σύνθετη δομή ενός πλοίου από τις θεωρητικές μεθόδους. Επιπλέον, η στατιστική φύση του κεραυνού και τα φαινόμενα γειτνίασης είναι παράγοντες που θα πρέπει να συνεκτιμώνται. Οι απαιτήσεις ενός πειράματος έγχυσης κρουστικού ρεύματος σε υπό κλίμακα μοντέλα πλοίου μελετήθηκαν με προκαταρκτικές μετρήσεις σε δοκίμια εντός ηλεκτρολυτικής δεξαμενής με εφαρμογή της Θεωρίας της Ομοιότητας και της Διαστατικής Ανάλυσης. Ακολούθως, υπολογισμοί των αναμενόμενων κεραυνικών πληγμάτων σε πλοία έδειξαν ότι σε παράκτιες περιοχές με έντονη κεραυνική δραστηριότητα η συχνότητα κεραυνοπληξίας είναι 1 κάθε 2-3 χρόνια. Παράλληλα, αναπτύχθηκε μία μεθοδολογία για την εφαρμογή ανάλυσης θωράκισης στους ιστούς ενός πλοίου ενσωματώνοντας την πιθανότητα σύλληψης και τα φαινόμενα γειτνίασης για τον υπολογισμό του κατάλληλου ύψους και της θέσης αλεξικεραύνου. Ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις διαφόρων σημείων και κυματομορφών κεραυνικού πλήγματος στην τρισδιάστατη δομή πλοίου που εμπεριέχει βασικές οδεύσεις της καλωδίωσής του έδειξαν την ανάγκη εσωτερικής αντικεραυνικής προστασίας με χρήση διατάξεων προστασίας έναντι υπερτάσεων. Οι προκύπτουσες υπερτάσεις διαδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις στο εσωτερικό της γάστρας και στην περίπτωση επακόλουθου πλήγματος μπορεί να φτάνουν τα 2kV για εσωτερικά καλώδια και τα 5kV για εξωτερικά καλώδια. Προτείνεται έτσι η περαιτέρω διερεύνηση των απαιτήσεων ηλεκτρομαγνητικής ατρωσίας έναντι υπερτάσεων των σχετικών προτύπων IEC 60945 και IEC 60533 με πιθανή αύξηση των επιπέδων ελέγχου.