机动车辆防雷接地的讨论

南京科技职业技术学院自动控制系 郑 迪 李 剑 王 颖

1 机动车辆防雷重要性

雷电是一种大气的自然放电现象，存在巨大的危害作用。而从防雷的角度来看，只要是大地上的任何物体都有遭受雷击的可能性。

传统理论认为，汽车表面属于金属导体，雷电属于高频信号，依据集肤效应，雷电流应当由车体金属表面流入大地，依据法拉第笼原理，车内的人则受到法拉第笼的保护相对安全。然而，雷电的发生情况也很难保持一致，而且针对每一个案条件也不一致，如车体的干燥程度、汽车的外壳材料、车体的结构，敞蓬车等导致集肤效应原理不能有效的利用，易出现汽车的电子系统和发生人身意外。同时，随着机动车辆在工程技术方面的广泛运用，机动车辆内部的用电设备越来越复杂，若机动车辆工作在地势高、地形平坦的环境下，则缺乏防御雷击的自然保护物体，因而，防雷工作对于机动车辆安全性来说尤为重要。

2 方案讨论

机动车辆工作在在野外空旷地带时，极易遭受雷电的袭击，可采用接闪器、引下线和接地装置构成的防雷装置共同保护。由于接闪器高于被保护物，又和大地直接相连，当雷云先导接近时，它与雷云之间的电场强度最大，所以可将雷云放电的通路吸引到避雷针本身并经引下线和接地装置将雷电流安全地泄放到大地中去，使被保护物体免受直接雷击。

当前，我国现行的防雷标准和规范中缺乏机动车辆防雷的要求，本文以国家防雷标准和电子行业防雷标准为基础，并结合机动车辆的可移动和车辆内部电子产品较多的特点，分别从接闪器、引下线和接地网讨论机动车辆的防雷工作。

2.1 接闪器

接闪器就是专门用来接受雷闪的金属物体。由于接闪器保护范围为一辆机动车辆范围，故而可采用单支接闪器保护。接闪器的保护范围的计算，可以参考中华人民共和国国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的附录D“滚球法确定接闪器的保护范围”中所列出了计算单支接闪杆(避雷针)等方法进行计算，其公式如下：

接闪杆在hx高度的平面上保护半径为：

其中hr为滚球半径，hx为被保护物高度，h为接闪杆高度。

由公式1和2可知，接闪杆的保护半径不仅与接闪杆高度有关，而且与机动车辆高度有关。因而依据滚球法，接闪器的高度需依据机动车辆的外型尺寸以及所需保护面积来确定。机动车辆防雷装置必需易于携带，因而根据机动车辆的内部布局空间，可将接闪器制作为可折叠式或可拆卸式，以方便运输和安装。又因为接闪器使用场所为旷野，所以应尽量采用具有提前放电功能或可防止侧击雷击的避雷针。

2.2 引下线

引下线是将避雷针接收的雷电流引向接地装置的导体，需满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。机动车辆防雷装置的引下线与避雷针底部采用可拆卸的压接方式，其压接螺栓不小于M12。避雷针的引下线应不少于2条，采用不小于120mm2多股铜芯双层胶皮电缆。使用时，引下线应沿车体外侧对称敷设，并与车体绝缘。

2.3 接地装置

接地装置需将雷电电流顺利地泄放入地，以减少雷电流引起的过电压，防止雷电流使人受到电击或财产受到破坏。此外，机动车辆的接地装置还需解决系统间的电位差以及雷击时金属导体间的电位差，因而本文从车内地网和车外地网两个方面讨论。

2.3.1 车内地网

从安全性、电磁兼容性及防雷设计等方面考虑，机动车内部可采用等电位、多点就近接地后单点汇接的地网结构。在机动车舱体内、外均采用金属贴皮材料，中间用金属骨架支撑，舱体与底盘骨架之间用金属螺栓连接，保证了整车良好的等电位连接。车舱内表面铺设厚度不小于1mm、宽度不小于40mm的铜带为地网；地网与贴皮间平整贴敷并铆钉固定；地网表面焊接有直径不小于8mm的铜螺栓作为接地点，设备采用宽度不小于16mm的铜编织带就近与接地点连接；地网在电源壁盒处设置整车接地汇接点，设备地、车体地、防雷地接至汇接点后接入大地；各接地点采用铜质紧固件进行安装，搭接电阻应小于0.002Ω，恶劣环境下还应对搭接处周围做密封处理。

若雷击的高电压强电流通过接闪器、引下线快速泄放到大地，或由外接线路引入感应雷，都会引起局部范围的电压差，造成车辆内部接地电位抬高，从而造成设备损坏或人员伤亡。采用上述方案将车内设备、车体、防雷地汇接后，形成一个等电位地网，当雷电发生时电流主动泄放造成的地电位提高，其他接地电位也同时提高，从而有效消除了接地电位差，使系统处于安全的零电位上。

2.3.2 车外地网

通信车的接地地网必须考虑机动使用要求和复杂的环境适应情况，即要求车外地网既要方便装设，也要方便撤收，而且要求车外地网可以反复折叠，便于携带，最重要的是，接地网能够在较小的面积内达到接地电阻的要求，因而车外地网可采用水平地网和保湿纤维布的方式。

水平地网的接地电阻计算公式为：

公式3表明在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够大的接地面积，每扩大4倍接地面积，接地电阻会降低1倍。公式4和5表明，要降低接地电阻的另一个方法为加大接地材料的尺寸。如在土壤电阻率≤30（Ω·m）的一般地质条件下，采用约1m2地网的直铺，其接地电阻值≤16Ω；采用约3m2地网，则上述数据为≤9Ω和≤6Ω；采用9m2地网，则上述数据为≤5Ω和≤4Ω。

仅考虑水平地网，机动接地装置可在短时间内形成64平方米的接地网。以土壤电阻率为160欧姆，面积为64平方米为例，地表面直接铺上水平地网，其接地电阻为：

其接地电阻阻值不满足规范要求。

为进一步降低接地电阻，又因为湿润的土壤导电吸能较好，因而考虑含水的土壤或土壤替代品。若机动车辆工作在取土方便的地方，可直接取土并在网上覆盖5cm厚浮土并加注清水。若机动车辆工作在取土困难的地区，如岩石地区，则可在水平地网上覆盖吸足盐水的超强吸水布和保湿纤维布，采用接地电阻测量仪实测接地电阻阻值，是否小于国家要求，如果不达到要求的话，再水平地网旁安装垂直接地极即可。机动车辆的接地电阻要求，因机动车辆包含较多电子计算机类产品，可参考GB/T 2887-2011《计算机场地通用规范》，其中要求计算机系统直流工作地，接地电阻应按计算机系统具体要求确定；交流工作接地，接地电阻不应大于4Ω；安全保护接地，接地电阻不应大于4Ω；防雷接地接地电阻不应大于10Ω。

如果工作在岩石难以钻进的复杂地质条件下，接地电极无法使用，为降低接地电阻阻值，可多网组合直接平铺于地表并覆盖吸足盐水的超强吸水布，同时加盖保湿纤维布即可。

本文以土壤电阻率为160欧姆，面积为64平方的水平接地网为例，在水平地网上覆盖吸足盐水的超强吸水布和保湿纤维布，用接地电阻测量仪实测接地电阻阻值，其值为2.8Ω，符合国家标准。

3 结束语

在恶劣的气象条件下和复杂地况条件下，机动车辆的防雷与接地装置的分析是一个比较复杂的课题。本文参考国家规范，结合实际经验，采用了接闪器、引下线和接地装置的防雷方法，同时提出了以水平地网和保湿纤维布共同作用的方式，取得车外地网的临时装设性质和良好接地效果这组矛盾中的平衡点，有效的降低雷击对机动车辆的危害。