機動車輛防雷接地的討論

南京科技職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xiàn)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(tǒng)理論認為，汽車表面屬于金屬導(dǎo)體，雷電屬于高頻信號，依據(jù)集膚效應(yīng)，雷電流應(yīng)當(dāng)由車體金屬表面流入大地，依據(jù)法拉第籠原理，車內(nèi)的人則受到法拉第籠的保護相對安全。然而，雷電的發(fā)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(jié)構(gòu)，敞蓬車等導(dǎo)致集膚效應(yīng)原理不能有效的利用，易出現(xiàn)汽車的電子系統(tǒng)和發(fā)生人身意外。同時，隨著機動車輛在工程技術(shù)方面的廣泛運用，機動車輛內(nèi)部的用電設(shè)備越來越復(fù)雜，若機動車輛工作在地勢高、地形平坦的環(huán)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(gòu)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(dāng)雷云先導(dǎo)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(jīng)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(dāng)前，我國現(xiàn)行的防雷標準和規(guī)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(yè)防雷標準為基礎(chǔ)，并結(jié)合機動車輛的可移動和車輛內(nèi)部電子產(chǎn)品較多的特點，分別從接閃器、引下線和接地網(wǎng)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(shè)計規(guī)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(guān)，而且與機動車輛高度有關(guān)。因而依據(jù)滾球法，接閃器的高度需依據(jù)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(jù)機動車輛的內(nèi)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(yīng)盡量采用具有提前放電功能或可防止側(cè)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(dǎo)體，需滿足機械強度、耐腐蝕和熱穩(wěn)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(yīng)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(yīng)沿車體外側(cè)對稱敷設(shè)，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(chǎn)受到破壞。此外，機動車輛的接地裝置還需解決系統(tǒng)間的電位差以及雷擊時金屬導(dǎo)體間的電位差，因而本文從車內(nèi)地網(wǎng)和車外地網(wǎng)兩個方面討論。

2.3.1 車內(nèi)地網(wǎng)

從安全性、電磁兼容性及防雷設(shè)計等方面考慮，機動車內(nèi)部可采用等電位、多點就近接地后單點匯接的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在機動車艙體內(nèi)、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(nèi)表面鋪設(shè)厚度不小于1mm、寬度不小于40mm的銅帶為地網(wǎng)；地網(wǎng)與貼皮間平整貼敷并鉚釘固定；地網(wǎng)表面焊接有直徑不小于8mm的銅螺栓作為接地點，設(shè)備采用寬度不小于16mm的銅編織帶就近與接地點連接；地網(wǎng)在電源壁盒處設(shè)置整車接地匯接點，設(shè)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(zhì)緊固件進行安裝，搭接電阻應(yīng)小于0.002Ω，惡劣環(huán)境下還應(yīng)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(yīng)雷，都會引起局部范圍的電壓差，造成車輛內(nèi)部接地電位抬高，從而造成設(shè)備損壞或人員傷亡。采用上述方案將車內(nèi)設(shè)備、車體、防雷地匯接后，形成一個等電位地網(wǎng)，當(dāng)雷電發(fā)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(tǒng)處于安全的零電位上。

2.3.2 車外地網(wǎng)

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

水平地網(wǎng)的接地電阻計算公式為：

公式3表明在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下，要想達到設(shè)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(zhì)條件下，采用約1m2地網(wǎng)的直鋪，其接地電阻值≤16Ω；采用約3m2地網(wǎng)，則上述數(shù)據(jù)為≤9Ω和≤6Ω；采用9m2地網(wǎng)，則上述數(shù)據(jù)為≤5Ω和≤4Ω。

僅考慮水平地網(wǎng)，機動接地裝置可在短時間內(nèi)形成64平方米的接地網(wǎng)。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(wǎng)，其接地電阻為：

其接地電阻阻值不滿足規(guī)范要求。

為進一步降低接地電阻，又因為濕潤的土壤導(dǎo)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(wǎng)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(qū)，如巖石地區(qū)，則可在水平地網(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)品，可參考GB/T 2887-2011《計算機場地通用規(guī)范》，其中要求計算機系統(tǒng)直流工作地，接地電阻應(yīng)按計算機系統(tǒng)具體要求確定；交流工作接地，接地電阻不應(yīng)大于4Ω；安全保護接地，接地電阻不應(yīng)大于4Ω；防雷接地接地電阻不應(yīng)大于10Ω。

如果工作在巖石難以鉆進的復(fù)雜地質(zhì)條件下，接地電極無法使用，為降低接地電阻阻值，可多網(wǎng)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(wǎng)為例，在水平地網(wǎng)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(jié)束語

在惡劣的氣象條件下和復(fù)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(fù)雜的課題。本文參考國家規(guī)范，結(jié)合實際經(jīng)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(wǎng)和保濕纖維布共同作用的方式，取得車外地網(wǎng)的臨時裝設(shè)性質(zhì)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。