雷電與防雷誤區(qū)

雷電與防雷誤區(qū)

摘要：闡述雷電形成的原因、產(chǎn)生的過程以及防雷的方法，以便正確選用防雷器件。

關(guān)鍵詞：雷電形成防雷方法

Lightning and Lightning? Proof Mistake Region

Abstract:To select correctly lightning? proof devices,reasons and process of lightning forming as well as lightning? proof methods are introduced in this paper

Keywords:lightning forming,lightning? proof method

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件已進(jìn)入大規(guī)模集成電路時代。電子設(shè)備的功能得以改善，運行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了。現(xiàn)在，每年遭到雷擊而造成的損失數(shù)以億元計，所以研究保護微電子設(shè)備免遭雷電危害已成為一個重要課題。雖然近兩個世紀(jì)出現(xiàn)了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于對雷電的了解不全面或?qū)ζ骷阅艿钠?，往往得不到預(yù)期的效果。由于不得其法，浪費了大量資財。本文闡述雷電的成因并指出當(dāng)前防雷誤區(qū)，力圖打破似乎凍結(jié)的防雷方法的規(guī)范，以求防雷研究的進(jìn)展。

1雷電的形成

1.1自然界的自由電荷

在電子學(xué)中，當(dāng)人們研究電的現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)構(gòu)成物質(zhì)的微單元的原子中，圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的外層電子易受外界條件的影響而逸出，使原子缺少電子或者自由電子單獨存在而對外部形成電場的帶電現(xiàn)象。

金屬導(dǎo)體和絕緣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：金屬導(dǎo)體中的自由電子內(nèi)部引力較弱，而絕緣體內(nèi)部引力較強。所以在金屬導(dǎo)體環(huán)路中，如加上一種使自由電子逸出的力量（這個力量我們叫電壓），由于環(huán)路中電壓的存在，金屬中的電子產(chǎn)生位移式的流動，不過金屬內(nèi)的正負(fù)電荷量的絕對值是相等的，一旦去掉加在環(huán)路中的電壓，環(huán)路立即處于中性，沒有電子的流動，不再產(chǎn)生電場。

對非環(huán)路的金屬，比如兩塊相互平行的金屬板，它們之間以空氣為介質(zhì)，如在這兩塊板上加上電壓，金屬導(dǎo)體中的電子按同性相斥，異性相吸規(guī)律，使電子向一面流動，產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為靜電現(xiàn)象。這時對某一塊金屬來說，它們電荷的正負(fù)電量的絕對值就不相等了，這時如去掉加在其上的電壓，它不像環(huán)路那樣呈現(xiàn)電中性，卻仍保持帶電性質(zhì)，仍然有電場的存在，但是隨著時間的推移，這個電場會自然消失。正統(tǒng)的理論解釋為A片金屬的電子通過介質(zhì)層逐步釋放給B片金屬的結(jié)果，這是以環(huán)路電流理論為依據(jù)的論點。但是，如果將兩塊已充了電的金屬塊瞬間拉開到不可能從A向B釋放電子的距離，兩塊金屬會不會永久性地帶電呢？事實告訴我們，隨著時間的推移帶電現(xiàn)象也隨之消失，這是什么原因呢？教科書上提到的摩擦起電現(xiàn)象，即絕緣體相互摩擦后，絕緣體出現(xiàn)帶電現(xiàn)象，在這種情況下，是否需要兩件物體再接觸一下才能使絕緣體呈現(xiàn)帶電中性呢？事實并非如此，這些懸于空間的帶電物體，不管帶電性質(zhì)如何，只要與大地接觸一下，帶電現(xiàn)象就立即消失。因此這種現(xiàn)象告訴我們，在自然界中，A給B的電荷，A不必從B收回，B多余的電荷也不一定向A輸出，這與金屬環(huán)路電流理論是不相同的。同時可以推定，自然空間（包括大地在內(nèi)）各種物體電荷的擁有量的絕對值是不相等的，就是說自然界擁有巨大的自由電荷量。

自然界之所以擁有大量的自由電荷，從電勢形成概念而言，有電磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、摩擦起電及射線等諸方面原因，現(xiàn)代科學(xué)可以做到測量人腦電流的運動來判斷腦的活動。自然界的自由電荷的成因，用能量守恒定律來規(guī)范，可以這樣說：凡有物質(zhì)運動的地方（包括宇宙射線），就會產(chǎn)生電子運動并形成自由電荷，這是一種能轉(zhuǎn)換成另一種能的變換過程，所以自然界物質(zhì)的運動是自然界產(chǎn)生自由電荷的根源。

所謂自然界，包括天空與大地這樣廣闊的空間，這個空間不存在電荷的中性，就大地而言，我們稱之為零電位，但大地本身因物質(zhì)的運動其電位并非為零，它擁有大量的自由電荷，我們可以做一個簡單的小實驗：用一副耳機，或者一只毫伏表，兩根同金屬性質(zhì)的金屬棒，在一定距離內(nèi)分別將金屬棒插入地下，棒與棒之間用耳機可以聽到地電荷的噪音，如果接上毫伏表發(fā)現(xiàn)有電壓指示，而這種指示不因放電時間的加長而消失，單線傳輸?shù)碾娫捑€路，電話的耳機里的噪音也連續(xù)不斷，這些都說明大地自由電荷的存在。當(dāng)然用上述方法無法測量天空自由電荷，但是我們用長波和中波收音機收聽電臺時，噪音干擾也連續(xù)不斷，以此證明，天空中有不斷的放電現(xiàn)象，說明天空中存在豐富的自由電荷，同時又能形成一定強度的電場放電。

這里反復(fù)地論證自然界存在自由電荷，其目的是要解釋雷電產(chǎn)生的根源，因為教科書上的環(huán)路理論不能對雷電成因進(jìn)行解釋。

1.2雷電場的產(chǎn)生

雷電的能量是巨大的，在人類活動中，任何單一的電站所發(fā)出的電能不可能產(chǎn)生一次雷電所釋放的能量，那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的呢？

上面說過，由于物質(zhì)的運動自然界產(chǎn)生巨大的自由電荷，當(dāng)然這些自由電荷是產(chǎn)生雷電的根源。從電子學(xué)中得知，要形成一個強大的電場，一定是其中一方是同性質(zhì)電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質(zhì)的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質(zhì)受氣流、宇宙射線的影響而產(chǎn)生自由電荷，且不斷增加，在大氣層的擠壓下向太空高層運動，形成一個電離層，這個電離層是含單性電荷的電子層，其電場的能量是不可估量的。

當(dāng)大氣層中出現(xiàn)潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結(jié)成水狀云塊時，由于云塊可看成是一個整體的導(dǎo)體，在電離層電場力的作用下，云層中的電子推向面向地的一端，雖然云塊正負(fù)電荷的絕對值相等，但實際上形成了一個靜電場，在晴天，云塊遠(yuǎn)距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質(zhì)絕緣程度較高，不易發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象，但是在雨天，特別是熱雨季節(jié)，由于云層下降，空氣潮濕，在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。

雷電不單純是空間對地放電，往往在空間也會形成雷電。這是因為帶電云塊在空間的位置較高，當(dāng)?shù)孛娴某睗窨諝饧彼偕仙龝r，它與帶電云塊形成的電場在空間放電，形成高空雷電。

上面說過，云塊受電離層電場力的作用產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，這些云塊向地放電以后，其本身產(chǎn)生電離即云塊的正負(fù)電量的絕對值不相等，形成帶電現(xiàn)象，帶電云塊隨著氣流運動與另一云塊形成電場，當(dāng)它們逐漸接近時產(chǎn)生放電現(xiàn)象是形成空中雷的原因，當(dāng)我們觀察雷電在空間放電時，往往是一次接一次有連續(xù)不斷的感覺。

1.3雷電過程

雷電過程也是靜電理論中闡明的電場中介質(zhì)擊穿過程。上面說過雷電的成因，雷電是帶電云塊在運動過程中放電的現(xiàn)象，其放電位置不是固定的，但有一定固定的條件。比如電場中介質(zhì)的厚度、絕緣系數(shù)、氣體溫度和地表導(dǎo)電系數(shù)都影響雷擊地點。我們常說的多雷區(qū)應(yīng)該說該地區(qū)具備上述諸因素中的幾種。但是有人認(rèn)為雷電是在本位置產(chǎn)生的，這是一種誤解。道理很簡單：因為在本地區(qū)又有什么力量積聚這么大的能量呢？應(yīng)該是帶電云塊在運動過程中放電形成雷電，當(dāng)然在帶電云塊的作用下，在什么地方放電與地面的前述條件有關(guān)，以地貌而言相對高度越高應(yīng)該說越易遭雷擊，這里指的是高建筑物、高山及地表凸出處，但也不一定就在這些地方出現(xiàn)雷擊，因為在電場中介質(zhì)參數(shù)不單純是指厚度，還取決于絕緣系數(shù)即環(huán)境的溫度和氣體的溫度。我們發(fā)現(xiàn)，往往雷擊點不在山頂而在平川，這是因為那里的潮濕空氣和氣溫使電場介質(zhì)的絕緣低于高山而遭雷擊。另外，地表的導(dǎo)電也有影響，良好的導(dǎo)電地質(zhì)比難以導(dǎo)電的地質(zhì)所產(chǎn)生的雷電場就大得多，所以易導(dǎo)電的地質(zhì)易于引雷。

雷電場是一個巨大的靜電場，是人類不可建造的。巨大的電場面積和所積聚的巨大能量是不可估量而又不可測量的，人們往往在雷電以后，從被雷擊的物體破壞的程度估計它的大小。對于雷電流用數(shù)以億安計的詞來形容是不過份的，雷電場在放電過程中與靜電場放電有相似的地方，但也有差別，人為形成的靜電場其儲能是極為有限的，所以它在放電過程中放電電流是從最大值逐步減弱，而雷電場就不同，由于儲能巨大，在放電時因通過空間的阻力開始階段不可能使電場減弱，而是在放電時空氣加熱以后放電電流達(dá)到最大值，再隨著電場的減弱放電電流隨之下降。所以雷擊過程中雷電流是從小到大再減弱，就電的性質(zhì)而言，由于它是一個靜電場的放電，電流的方向是不變的，所形成的是一個幅度巨大的脈動直流電流。

所以雷電流的主要分量是直流分量，但脈動部分和雷電流與空氣及地接觸時產(chǎn)生的熱騷動形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當(dāng)大，所以雷電過程中的交流分量也不可小看，雷擊過程中，從低頻直至米波段這樣寬的頻譜均受不同程度的干擾，從諧波理論得知，低頻段所受干擾較為嚴(yán)重。

如果我們將地面的物體置于某一位置，雷電對這一物體產(chǎn)生的干擾可分為感應(yīng)干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場內(nèi)，但由于雷電在放電過程，它所產(chǎn)生的強大電磁波使這一物體受電磁波的沖擊，這樣的雷我們稱“感應(yīng)雷”，當(dāng)某一物體置于雷電場內(nèi)，而且物體又作為雷電流的導(dǎo)電體，巨大的電流通過該物體使物體遭到嚴(yán)重破壞，這種直接置于雷電場受到雷電的沖擊，我們稱這種雷為“直接雷”。以現(xiàn)代微電子來說，不管感應(yīng)雷還是直接雷對微電子器件都會造成永久性的破壞。

2防雷的誤區(qū)

2.1避雷針與避雷器

19世紀(jì)后葉，人們發(fā)現(xiàn)金屬導(dǎo)體尖端放電現(xiàn)象。避雷針是典型的利用尖端放電原理做成的防雷裝置，在被保護物體上架設(shè)一根金屬針，并將它與地相通。它是怎樣避雷的呢？解釋是這樣：當(dāng)避雷針置于空中對地這個雷電場時，由于避雷針與大地有良好的接觸，此時電場能量通過避雷針放電，雷電場消失，使它不發(fā)生大電流的放電，從而起到消雷的作用。但是這種解釋也有不清楚的地方，即位于強大的雷電場下的避雷針，能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場消失呢？從電學(xué)原理也說不通。因為強大的雷電場就像炸藥缺少引信一樣，避雷針?biāo)傅目臻g就像引信，由于避雷針的引導(dǎo)會一觸即發(fā)。因為其高度和良好的接地條件要優(yōu)于其它位置，同時尖端形成的電場又大于其它地方，所以強大的雷電場以避雷針為中心放電區(qū)，如果說避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達(dá)到零值，數(shù)以億安計的雷電流可以順利通過它，不會形成熱效應(yīng)和雷電位，便可達(dá)到避雷目的。但避雷針本身和引線存在著電抗，接地電阻不可能為零，所以雷擊過程中，它沒有避雷能力，只起到雷擊位置的引導(dǎo)作用。人們認(rèn)識到這一點，但對避雷針有所偏愛或者說對雷電成因不理解，他們將雷電解釋為是本位置產(chǎn)生的，就是說講不清楚的原因，在避雷針設(shè)置的地方和相對的空間形成電場，由于避雷針逐步放電而使這一電場建立不起來，所以避雷針起到消雷的作用。事實上從20世紀(jì)以來人們對避雷針的避雷作用公開地提出了質(zhì)疑，因為避雷針成為引雷針的事件屢見不鮮。

然而避雷針在下述情況能發(fā)揮一定作用，當(dāng)帶電云塊的電量很小，而且又遠(yuǎn)離地面與大地形成不太強的電場時，避雷針對其電場逐步放電達(dá)到消除這個電場的目的。地面有些物體與大地是絕緣的，比如木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑物，在感應(yīng)雷和直接雷的作用下，可能會帶上靜電，由于靜電的存在可能引起火災(zāi)，如果在這些物體上架設(shè)避雷針，就可使建筑物與大地形成等電位，避免這些物體在雷電場作用下帶靜電。

但是，現(xiàn)代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結(jié)構(gòu)的，它與大地已形成了等電位，顯然架設(shè)避雷針是多余的。但是現(xiàn)在的建筑物仍沿襲老規(guī)矩架設(shè)避雷針，其原因很明顯，主要是責(zé)任和規(guī)范問題。說句實話，不設(shè)避雷針誰能保證該建筑物不受雷擊？安裝了避雷針而遭雷擊是老天爺?shù)氖拢?zé)任不在人。

幾乎在出現(xiàn)避雷針的同時，在輸電線上人們利用尖端放電現(xiàn)象發(fā)明了尖端放電避雷器，兩個尖端所形成的電場在一定間距內(nèi)放電，這個間距的大小可以設(shè)定在一定電壓下放電，于是將它安裝在輸電線上，使雷電的超壓值通過此放電器引導(dǎo)入地達(dá)到避雷的目的。20世紀(jì)初葉，輸電線上普遍安裝了形似羊角的羊角避雷器，但是由于羊角避雷器在泄放雷電過程中，空氣被加熱引起電弧不斷，雖然有引導(dǎo)電弧上升的形態(tài)，但雷電過后，電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎(chǔ)上加了對電壓敏感的電阻元件，此元件在超過額定電壓時呈現(xiàn)的電阻小，反之阻值增大，對過壓引起的電流起到開關(guān)作用，這種避雷器稱“閥型避雷器”。按壓敏原理又派生出氣敏和氧化鋅器件。

不管羊角型、閥型、氣敏和壓敏避雷器，它們的結(jié)構(gòu)企圖達(dá)到一個目的：使輸電線上的過壓值，通過這些器件，箝位在人為的整定值上，從而使用戶設(shè)備的端電壓不超過額定電壓，確保用戶設(shè)備的安全。

2.2避雷器件用在不同電路中的反應(yīng)

現(xiàn)在形形色色的避雷器，如果單純地就其本身結(jié)構(gòu)來判斷是否有防雷作用是不全面的，還要看這些器件用在什么電路。下面介紹幾種電路在雷電過程中的反應(yīng)：

（1）高壓輸電線雷電勢的分布與過渡

高壓輸電線是三相三線制，線對地是絕緣的。不管輸電線受感應(yīng)雷或直接雷影響，在三線中的雷電勢的電位和相位均是相同的，線與線之間的電位差等于零。所以當(dāng)雷擊高壓輸電線時，主要危及輸電線及其在線路上運行的變壓器的對地絕緣。在三線的輸電線中，由于各種原因三線對地絕緣系數(shù)不盡相同，特別是高壓側(cè)的避雷器絕緣性能更難求得一致，所以在雷擊過程中會出現(xiàn)一線首先向地放電現(xiàn)象。由于一線放電，該線雷電位迅速下降，此時另外二線的雷電位就高于放電線，線與線之間就出現(xiàn)了雷電位差，這個電壓通過變壓器高壓側(cè)繞組，低壓側(cè)（即變壓器副邊）就由于電磁感應(yīng)出現(xiàn)雷電壓，這個電壓很高時就危及用戶設(shè)備的安全。

（2）低壓輸電線雷電勢的分布與過渡

低壓為三相四線制，零線與大地相連，雷電發(fā)生在低壓電線時，由于零線本身存在著電抗，接地電阻不可能達(dá)到零值，四線上的雷電都向地放電，此時的低壓輸電線首先是零電位急劇上升，當(dāng)然相線由于零電位上升而相應(yīng)上升，而且每相向零線放電時，都是通過用戶設(shè)備進(jìn)行的，由于各自的負(fù)載不同，相應(yīng)的雷電位也不盡相同，這樣又出現(xiàn)了相對零線間和相間的雷電流。所以當(dāng)雷擊低壓線時，對用戶設(shè)備造成破壞的一是對地絕緣，二是超壓過載，往往由于零線電位升高而破壞用戶絕緣的故障最明顯。

（3）小電流電路

所謂小電流電路系指電源功率容量小、電源內(nèi)阻高的電路網(wǎng)絡(luò)，這種電路我們常見的如電話外線及電子線路本身。

上面說過，目前的防雷器件是由尖端放電和壓敏原理派生，這些器件用于線路超壓保護時，接線方式一般為線間并聯(lián)及線與地間并聯(lián)，這種器件在小電流電路上是能有效地箝定超壓電流的，因為小電流電路功率容量小，電源內(nèi)阻高。比如：當(dāng)雷電沖擊電話用戶時，雷電流通過用戶線倒傳到交換機的終端，如果交換機終端安了壓敏器件，壓敏器件對雷電流進(jìn)行泄放時，電話線路由于阻值大將雷電流給予限制，因此壓敏器件能箝定在它的閾值上。在電子電路中，我們常見在穩(wěn)壓二極管的前面串聯(lián)一只電阻，這只電阻是限流電阻，也可看成是為增加電源內(nèi)阻而設(shè)定的，由于此電阻的限流，穩(wěn)壓二極管就能將電壓箝定在它的閾值上，但負(fù)載電流不能大，否則穩(wěn)壓值低于閾值，所以在小電流電路中，使用壓敏器件進(jìn)行電壓的箝位能有效地防止雷電的沖擊，就是說防雷效果是顯著的。

（4）大電流電路

大電流電路一般指電源電路，這種電路的特點是功率容量大、電源內(nèi)阻小。如果在這樣的電路上使用壓敏器件并聯(lián)在線路上，力圖用壓敏器件的過壓放電特性，將過壓值箝定在壓敏器件的閾值上顯然是做不到的。雷電要在電源電路形成超壓狀態(tài)，它的功率能量必須大于電源電路的能量，這樣一個巨大的能量由壓敏器件泄放而器件本身不損壞是不可能的，這是其一；其二，由于電源內(nèi)阻小，就是在壓敏器件放電過程中，壓敏器件兩端電壓不會低于線路的過壓值，這樣用戶設(shè)備同樣受雷電過壓的沖擊。

現(xiàn)在市面上有些設(shè)備號稱具有防雷功能，單純的將防雷器件和整機并聯(lián)在電源上，并在電源電路上串聯(lián)保險絲。制作者們認(rèn)為在雷擊過程中，壓敏器件放電而使電路過流而熔斷保險絲，達(dá)到避雷的目的。這樣的接線，對功率器件即電機和電力變壓器有一定的避雷作用，但對于微電子設(shè)備沒有防范功效。前面說過加在壓敏器件上的過壓值同時加到了用戶設(shè)備上，而且由于電源內(nèi)阻小，電壓不會因此而降落很多，另外，保險絲是一個熱元件，有一個熔斷時間，所以用保險絲與壓敏器件配合的避雷器裝置，對于微電子設(shè)備而言是不可取的。

要使壓敏器件在電源電路上發(fā)揮避雷作用，只有增加電源內(nèi)阻即在電路上串聯(lián)電抗元件，但是由于這個電抗元件使電路在正常工作狀態(tài)下，降低了工作電壓，同時又隨負(fù)載的變化而波動使此電源不能使用，所以當(dāng)今防雷問題的焦點幾乎在電源線引雷問題上。

由于電源線上不能串聯(lián)電抗元件，但又要使用壓敏器件泄放雷電流，于是有人從雷電頻譜入手，提出了雷電的浪流現(xiàn)象。什么是浪流呢？雷電如水浪一樣來勢兇猛，下降迅速，認(rèn)為這樣一個沖擊電流主要分量在高頻，所以在電路上使用毫亨級的電感就能防止浪流。當(dāng)然毫亨級的電感對于50Hz的電源頻率幾乎不形成有影響的電抗。但是前面說過，雷電是靜電場的放電現(xiàn)象，主要分量是直流，諧波頻率較寬。這個交流分量很小，所以把雷電頻譜定在高頻是不對的，因此使用高頻電感的方法要獲得較好的防雷效果是不可能的。

當(dāng)前對于微電子設(shè)備的防雷方法使用1∶1變壓器，普遍認(rèn)為具有較好的防雷效果，為什么能得到這樣的效果呢？認(rèn)為：它能阻止浪流，起隔離作用。但這種解釋沒有說到點子上。應(yīng)該是1∶1隔離變壓器將大功率容量的電源變成了定功率容量的電源。由于變壓器具有磁飽和效應(yīng)，如果在它的副邊并接壓敏器件，由于功率容量受到限制，壓敏器件能將電壓箝位。因為現(xiàn)在生產(chǎn)的氧化鋅壓敏器件瞬間電流可達(dá)數(shù)千安培。

3結(jié)語

本文簡略地表達(dá)了雷電成因、雷電過程以及分析了當(dāng)今防雷的方法，其目的是提出一個思維，以便對市面上形形色色的防雷器件的防雷效果有一個理智的判斷，以達(dá)到正確地選用防雷器件保護微電子設(shè)備。