南京科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制系 鄭 迪 李 劍 王 穎

1 機(jī)動(dòng)車(chē)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(lái)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(rèn)為，汽車(chē)表面屬于金屬導(dǎo)體，雷電屬于高頻信號(hào)，依據(jù)集膚效應(yīng)，雷電流應(yīng)當(dāng)由車(chē)體金屬表面流入大地，依據(jù)法拉第籠原理，車(chē)內(nèi)的人則受到法拉第籠的保護(hù)相對(duì)安全。然而，雷電的發(fā)生情況也很難保持一致，而且針對(duì)每一個(gè)案條件也不一致，如車(chē)體的干燥程度、汽車(chē)的外殼材料、車(chē)體的結(jié)構(gòu)，敞蓬車(chē)等導(dǎo)致集膚效應(yīng)原理不能有效的利用，易出現(xiàn)汽車(chē)的電子系統(tǒng)和發(fā)生人身意外。同時(shí)，隨著機(jī)動(dòng)車(chē)輛在工程技術(shù)方面的廣泛運(yùn)用，機(jī)動(dòng)車(chē)輛內(nèi)部的用電設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，若機(jī)動(dòng)車(chē)輛工作在地勢(shì)高、地形平坦的環(huán)境下，則缺乏防御雷擊的自然保護(hù)物體，因而，防雷工作對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全性來(lái)說(shuō)尤為重要。

2 方案討論

機(jī)動(dòng)車(chē)輛工作在在野外空曠地帶時(shí)，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(hù)。由于接閃器高于被保護(hù)物，又和大地直接相連，當(dāng)雷云先導(dǎo)接近時(shí)，它與雷云之間的電場(chǎng)強(qiáng)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(hù)物體免受直接雷擊。

當(dāng)前，我國(guó)現(xiàn)行的防雷標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中缺乏機(jī)動(dòng)車(chē)輛防雷的要求，本文以國(guó)家防雷標(biāo)準(zhǔn)和電子行業(yè)防雷標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合機(jī)動(dòng)車(chē)輛的可移動(dòng)和車(chē)輛內(nèi)部電子產(chǎn)品較多的特點(diǎn)，分別從接閃器、引下線和接地網(wǎng)討論機(jī)動(dòng)車(chē)輛的防雷工作。

2.1 接閃器

接閃器就是專(zhuān)門(mén)用來(lái)接受雷閃的金屬物體。由于接閃器保護(hù)范圍為一輛機(jī)動(dòng)車(chē)輛范圍，故而可采用單支接閃器保護(hù)。接閃器的保護(hù)范圍的計(jì)算，可以參考中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄D“滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍”中所列出了計(jì)算單支接閃桿(避雷針)等方法進(jìn)行計(jì)算，其公式如下：

接閃桿在hx高度的平面上保護(hù)半徑為：

其中hr為滾球半徑，hx為被保護(hù)物高度，h為接閃桿高度。

由公式1和2可知，接閃桿的保護(hù)半徑不僅與接閃桿高度有關(guān)，而且與機(jī)動(dòng)車(chē)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(jī)動(dòng)車(chē)輛的外型尺寸以及所需保護(hù)面積來(lái)確定。機(jī)動(dòng)車(chē)輛防雷裝置必需易于攜帶，因而根據(jù)機(jī)動(dòng)車(chē)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(yùn)輸和安裝。又因?yàn)榻娱W器使用場(chǎng)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(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕和熱穩(wěn)定的要求。機(jī)動(dòng)車(chē)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(shí)，引下線應(yīng)沿車(chē)體外側(cè)對(duì)稱(chēng)敷設(shè)，并與車(chē)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(guò)電壓，防止雷電流使人受到電擊或財(cái)產(chǎn)受到破壞。此外，機(jī)動(dòng)車(chē)輛的接地裝置還需解決系統(tǒng)間的電位差以及雷擊時(shí)金屬導(dǎo)體間的電位差，因而本文從車(chē)內(nèi)地網(wǎng)和車(chē)外地網(wǎng)兩個(gè)方面討論。

2.3.1 車(chē)內(nèi)地網(wǎng)

從安全性、電磁兼容性及防雷設(shè)計(jì)等方面考慮，機(jī)動(dòng)車(chē)內(nèi)部可采用等電位、多點(diǎn)就近接地后單點(diǎn)匯接的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在機(jī)動(dòng)車(chē)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(pán)骨架之間用金屬螺栓連接，保證了整車(chē)良好的等電位連接。車(chē)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(diǎn)，設(shè)備采用寬度不小于16mm的銅編織帶就近與接地點(diǎn)連接；地網(wǎng)在電源壁盒處設(shè)置整車(chē)接地匯接點(diǎn)，設(shè)備地、車(chē)體地、防雷地接至匯接點(diǎn)后接入大地；各接地點(diǎn)采用銅質(zhì)緊固件進(jìn)行安裝，搭接電阻應(yīng)小于0.002Ω，惡劣環(huán)境下還應(yīng)對(duì)搭接處周?chē)雒芊馓幚怼?/p>

若雷擊的高電壓強(qiáng)電流通過(guò)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(huì)引起局部范圍的電壓差，造成車(chē)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(chē)內(nèi)設(shè)備、車(chē)體、防雷地匯接后，形成一個(gè)等電位地網(wǎng)，當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)電流主動(dòng)泄放造成的地電位提高，其他接地電位也同時(shí)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(chē)外地網(wǎng)

通信車(chē)的接地地網(wǎng)必須考慮機(jī)動(dòng)使用要求和復(fù)雜的環(huán)境適應(yīng)情況，即要求車(chē)外地網(wǎng)既要方便裝設(shè)，也要方便撤收，而且要求車(chē)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(dá)到接地電阻的要求，因而車(chē)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(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求的電阻必須有足夠大的接地面積，每擴(kuò)大4倍接地面積，接地電阻會(huì)降低1倍。公式4和5表明，要降低接地電阻的另一個(gè)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(jī)動(dòng)接地裝置可在短時(shí)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(mǎn)足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步降低接地電阻，又因?yàn)闈駶?rùn)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(jī)動(dòng)車(chē)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(jī)動(dòng)車(chē)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(qiáng)吸水布和保濕纖維布，采用接地電阻測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)接地電阻阻值，是否小于國(guó)家要求，如果不達(dá)到要求的話，再水平地網(wǎng)旁安裝垂直接地極即可。機(jī)動(dòng)車(chē)輛的接地電阻要求，因機(jī)動(dòng)車(chē)輛包含較多電子計(jì)算機(jī)類(lèi)產(chǎn)品，可參考GB/T 2887-2011《計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》，其中要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直流工作地，接地電阻應(yīng)按計(jì)算機(jī)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(hù)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(jìn)的復(fù)雜地質(zhì)條件下，接地電極無(wú)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(qiáng)吸水布，同時(shí)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(qiáng)吸水布和保濕纖維布，用接地電阻測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)接地電阻阻值，其值為2.8Ω，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在惡劣的氣象條件下和復(fù)雜地況條件下，機(jī)動(dòng)車(chē)輛的防雷與接地裝置的分析是一個(gè)比較復(fù)雜的課題。本文參考國(guó)家規(guī)范，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用了接閃器、引下線和接地裝置的防雷方法，同時(shí)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(chē)外地網(wǎng)的臨時(shí)裝設(shè)性質(zhì)和良好接地效果這組矛盾中的平衡點(diǎn)，有效的降低雷擊對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的危害。