機動車輛防雷接地的討論

南京科技職業技術學院自動控制系 鄭 迪 李 劍 王 穎

1 機動車輛防雷重要性

雷電是一種大氣的自然放電現象，存在巨大的危害作用。而從防雷的角度來看，只要是大地上的任何物體都有遭受雷擊的可能性。

傳統理論認為，汽車表面屬于金屬導體，雷電屬于高頻信號，依據集膚效應，雷電流應當由車體金屬表面流入大地，依據法拉第籠原理，車內的人則受到法拉第籠的保護相對安全。然而，雷電的發生情況也很難保持一致，而且針對每一個案條件也不一致，如車體的干燥程度、汽車的外殼材料、車體的結構，敞蓬車等導致集膚效應原理不能有效的利用，易出現汽車的電子系統和發生人身意外。同時，隨著機動車輛在工程技術方面的廣泛運用，機動車輛內部的用電設備越來越復雜，若機動車輛工作在地勢高、地形平坦的環境下，則缺乏防御雷擊的自然保護物體，因而，防雷工作對于機動車輛安全性來說尤為重要。

2 方案討論

機動車輛工作在在野外空曠地帶時，極易遭受雷電的襲擊，可采用接閃器、引下線和接地裝置構成的防雷裝置共同保護。由于接閃器高于被保護物，又和大地直接相連，當雷云先導接近時，它與雷云之間的電場強度最大，所以可將雷云放電的通路吸引到避雷針本身并經引下線和接地裝置將雷電流安全地泄放到大地中去，使被保護物體免受直接雷擊。

當前，我國現行的防雷標準和規范中缺乏機動車輛防雷的要求，本文以國家防雷標準和電子行業防雷標準為基礎，并結合機動車輛的可移動和車輛內部電子產品較多的特點，分別從接閃器、引下線和接地網討論機動車輛的防雷工作。

2.1 接閃器

接閃器就是專門用來接受雷閃的金屬物體。由于接閃器保護范圍為一輛機動車輛范圍，故而可采用單支接閃器保護。接閃器的保護范圍的計算，可以參考中華人民共和國國家標準GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》的附錄D“滾球法確定接閃器的保護范圍”中所列出了計算單支接閃桿(避雷針)等方法進行計算，其公式如下：

接閃桿在hx高度的平面上保護半徑為：

其中hr為滾球半徑，hx為被保護物高度，h為接閃桿高度。

由公式1和2可知，接閃桿的保護半徑不僅與接閃桿高度有關，而且與機動車輛高度有關。因而依據滾球法，接閃器的高度需依據機動車輛的外型尺寸以及所需保護面積來確定。機動車輛防雷裝置必需易于攜帶，因而根據機動車輛的內部布局空間，可將接閃器制作為可折疊式或可拆卸式，以方便運輸和安裝。又因為接閃器使用場所為曠野，所以應盡量采用具有提前放電功能或可防止側擊雷擊的避雷針。

2.2 引下線

引下線是將避雷針接收的雷電流引向接地裝置的導體，需滿足機械強度、耐腐蝕和熱穩定的要求。機動車輛防雷裝置的引下線與避雷針底部采用可拆卸的壓接方式，其壓接螺栓不小于M12。避雷針的引下線應不少于2條，采用不小于120mm2多股銅芯雙層膠皮電纜。使用時，引下線應沿車體外側對稱敷設，并與車體絕緣。

2.3 接地裝置

接地裝置需將雷電電流順利地泄放入地，以減少雷電流引起的過電壓，防止雷電流使人受到電擊或財產受到破壞。此外，機動車輛的接地裝置還需解決系統間的電位差以及雷擊時金屬導體間的電位差，因而本文從車內地網和車外地網兩個方面討論。

2.3.1 車內地網

從安全性、電磁兼容性及防雷設計等方面考慮，機動車內部可采用等電位、多點就近接地后單點匯接的地網結構。在機動車艙體內、外均采用金屬貼皮材料，中間用金屬骨架支撐，艙體與底盤骨架之間用金屬螺栓連接，保證了整車良好的等電位連接。車艙內表面鋪設厚度不小于1mm、寬度不小于40mm的銅帶為地網；地網與貼皮間平整貼敷并鉚釘固定；地網表面焊接有直徑不小于8mm的銅螺栓作為接地點，設備采用寬度不小于16mm的銅編織帶就近與接地點連接；地網在電源壁盒處設置整車接地匯接點，設備地、車體地、防雷地接至匯接點后接入大地；各接地點采用銅質緊固件進行安裝，搭接電阻應小于0.002Ω，惡劣環境下還應對搭接處周圍做密封處理。

若雷擊的高電壓強電流通過接閃器、引下線快速泄放到大地，或由外接線路引入感應雷，都會引起局部范圍的電壓差，造成車輛內部接地電位抬高，從而造成設備損壞或人員傷亡。采用上述方案將車內設備、車體、防雷地匯接后，形成一個等電位地網，當雷電發生時電流主動泄放造成的地電位提高，其他接地電位也同時提高，從而有效消除了接地電位差，使系統處于安全的零電位上。

2.3.2 車外地網

通信車的接地地網必須考慮機動使用要求和復雜的環境適應情況，即要求車外地網既要方便裝設，也要方便撤收，而且要求車外地網可以反復折疊，便于攜帶，最重要的是，接地網能夠在較小的面積內達到接地電阻的要求，因而車外地網可采用水平地網和保濕纖維布的方式。

水平地網的接地電阻計算公式為：

公式3表明在土壤電阻率已經確定的情況下，要想達到設計要求的電阻必須有足夠大的接地面積，每擴大4倍接地面積，接地電阻會降低1倍。公式4和5表明，要降低接地電阻的另一個方法為加大接地材料的尺寸。如在土壤電阻率≤30（Ω·m）的一般地質條件下，采用約1m2地網的直鋪，其接地電阻值≤16Ω；采用約3m2地網，則上述數據為≤9Ω和≤6Ω；采用9m2地網，則上述數據為≤5Ω和≤4Ω。

僅考慮水平地網，機動接地裝置可在短時間內形成64平方米的接地網。以土壤電阻率為160歐姆，面積為64平方米為例，地表面直接鋪上水平地網，其接地電阻為：

其接地電阻阻值不滿足規范要求。

為進一步降低接地電阻，又因為濕潤的土壤導電吸能較好，因而考慮含水的土壤或土壤替代品。若機動車輛工作在取土方便的地方，可直接取土并在網上覆蓋5cm厚浮土并加注清水。若機動車輛工作在取土困難的地區，如巖石地區，則可在水平地網上覆蓋吸足鹽水的超強吸水布和保濕纖維布，采用接地電阻測量儀實測接地電阻阻值，是否小于國家要求，如果不達到要求的話，再水平地網旁安裝垂直接地極即可。機動車輛的接地電阻要求，因機動車輛包含較多電子計算機類產品，可參考GB/T 2887-2011《計算機場地通用規范》，其中要求計算機系統直流工作地，接地電阻應按計算機系統具體要求確定；交流工作接地，接地電阻不應大于4Ω；安全保護接地，接地電阻不應大于4Ω；防雷接地接地電阻不應大于10Ω。

如果工作在巖石難以鉆進的復雜地質條件下，接地電極無法使用，為降低接地電阻阻值，可多網組合直接平鋪于地表并覆蓋吸足鹽水的超強吸水布，同時加蓋保濕纖維布即可。

本文以土壤電阻率為160歐姆，面積為64平方的水平接地網為例，在水平地網上覆蓋吸足鹽水的超強吸水布和保濕纖維布，用接地電阻測量儀實測接地電阻阻值，其值為2.8Ω，符合國家標準。

3 結束語

在惡劣的氣象條件下和復雜地況條件下，機動車輛的防雷與接地裝置的分析是一個比較復雜的課題。本文參考國家規范，結合實際經驗，采用了接閃器、引下線和接地裝置的防雷方法，同時提出了以水平地網和保濕纖維布共同作用的方式，取得車外地網的臨時裝設性質和良好接地效果這組矛盾中的平衡點，有效的降低雷擊對機動車輛的危害。