雷電與防雷誤區

摘要：闡述雷電形成的原因、產生的過程以及防雷的方法，以便正確選用防雷器件。

關鍵詞：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

　　隨著電子技術的發展，電子器件已進入大規模集成電路時代。電子設備的功能得以改善，運行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了。現在，每年遭到雷擊而造成的損失數以億元計，所以研究保護微電子設備免遭雷電危害已成為一個重要課題。雖然近兩個世紀出現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對器件性能的偏見，往往得不到預期的效果。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前防雷誤區，力圖打破似乎凍結的防雷方法的規范，以求防雷研究的進展。

1雷電的形成

1.1自然界的自由電荷

在電子學中，當人們研究電的現象時發現構成物質的微單元的原子中，圍繞原子核高速旋轉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象。

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

對非環路的金屬，比如兩塊相互平行的金屬板，它們之間以空氣為介質，如在這兩塊板上加上電壓，金屬導體中的電子按同性相斥，異性相吸規律，使電子向一面流動，產生電場，這種現象稱為靜電現象。這時對某一塊金屬來說，它們電荷的正負電量的絕對值就不相等了，這時如去掉加在其上的電壓，它不像環路那樣呈現電中性，卻仍保持帶電性質，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。正統的理論解釋為A片金屬的電子通過介質層逐步釋放給B片金屬的結果，這是以環路電流理論為依據的論點。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象，即絕緣體相互摩擦后，絕緣體出現帶電現象，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，不管帶電性質如何，只要與大地接觸一下，帶電現象就立即消失。因此這種現象告訴我們，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）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、化學效應、摩擦起電及射線等諸方面原因，現代科學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范，可以這樣說：凡有物質運動的地方（包括宇宙射線），就會產生電子運動并形成自由電荷，這是一種能轉換成另一種能的變換過程，所以自然界物質的運動是自然界產生自由電荷的根源。

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，兩根同金屬性質的金屬棒，在一定距離內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，如果接上毫伏表發現有電壓指示，而這種指示不因放電時間的加長而消失，單線傳輸的電話線路，電話的耳機里的噪音也連續不斷，這些都說明大地自由電荷的存在。當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，噪音干擾也連續不斷，以此證明，天空中有不斷的放電現象，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。

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

1.2雷電場的產生

雷電的能量是巨大的，在人類活動中，任何單一的電站所發出的電能不可能產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，由于物質的運動自然界產生巨大的自由電荷，當然這些自由電荷是產生雷電的根源。從電子學中得知，要形成一個強大的電場，一定是其中一方是同性質電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質受氣流、宇宙射線的影響而產生自由電荷，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。

當大氣層中出現潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結成水狀云塊時，由于云塊可看成是一個整體的導體，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，云塊遠距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質絕緣程度較高，不易發生擊穿放電現象，但是在雨天，特別是熱雨季節，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，當地面的潮濕空氣急速上升時，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生靜電現象，這些云塊向地放電以后，其本身產生電離即云塊的正負電量的絕對值不相等，形成帶電現象，帶電云塊隨著氣流運動與另一云塊形成電場，當它們逐漸接近時產生放電現象是形成空中雷的原因，當我們觀察雷電在空間放電時，往往是一次接一次有連續不斷的感覺。

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。比如電場中介質的厚度、絕緣系數、氣體溫度和地表導電系數都影響雷擊地點。我們常說的多雷區應該說該地區具備上述諸因素中的幾種。但是有人認為雷電是在本位置產生的，這是一種誤解。道理很簡單：因為在本地區又有什么力量積聚這么大的能量呢？應該是帶電云塊在運動過程中放電形成雷電，當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，以地貌而言相對高度越高應該說越易遭雷擊，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雷擊，因為在電場中介質參數不單純是指厚度，還取決于絕緣系數即環境的溫度和氣體的溫度。我們發現，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的絕緣低于高山而遭雷擊。另外，地表的導電也有影響，良好的導電地質比難以導電的地質所產生的雷電場就大得多，所以易導電的地質易于引雷。

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生的熱騷動形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當大，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，雷電對這一物體產生的干擾可分為感應干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場內，但由于雷電在放電過程，它所產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“感應雷”，當某一物體置于雷電場內，而且物體又作為雷電流的導電體，巨大的電流通過該物體使物體遭到嚴重破壞，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”。以現代微電子來說，不管感應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

2.1避雷針與避雷器

19世紀后葉，人們發現金屬導體尖端放電現象。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，避雷針所指的空間就像引信，由于避雷針的引導會一觸即發。因為其高度和良好的接地條件要優于其它位置，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，如果說避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達到零值，數以億安計的雷電流可以順利通過它，不會形成熱效應和雷電位，便可達到避雷目的。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作用。人們認識到這一點，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生的，就是說講不清楚的原因，在避雷針設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世紀以來人們對避雷針的避雷作用公開地提出了質疑，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揮一定作用，當帶電云塊的電量很小，而且又遠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，比如木質結構的古建筑物，在感應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，如果在這些物體上架設避雷針，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，現代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結構的，它與大地已形成了等電位，顯然架設避雷針是多余的。但是現在的建筑物仍沿襲老規矩架設避雷針，其原因很明顯，主要是責任和規范問題。說句實話，不設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的事，責任不在人。

幾乎在出現避雷針的同時，在輸電線上人們利用尖端放電現象發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放電，這個間距的大小可以設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入地達到避雷的目的。20世紀初葉，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，雖然有引導電弧上升的形態，但雷電過后，電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎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的電阻小，反之阻值增大，對過壓引起的電流起到開關作用，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，它們的結構企圖達到一個目的：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，從而使用戶設備的端電壓不超過額定電壓，確保用戶設備的安全。

2.2避雷器件用在不同電路中的反應

現在形形色色的避雷器，如果單純地就其本身結構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：

（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不盡相同，特別是高壓側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一線首先向地放電現象。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，線與線之間就出現了雷電位差，這個電壓通過變壓器高壓側繞組，低壓側（即變壓器副邊）就由于電磁感應出現雷電壓，這個電壓很高時就危及用戶設備的安全。

（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，當然相線由于零電位上升而相應上升，而且每相向零線放電時，都是通過用戶設備進行的，由于各自的負載不同，相應的雷電位也不盡相同，這樣又出現了相對零線間和相間的雷電流。所以當雷擊低壓線時，對用戶設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、電源內阻高的電路網絡，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及線與地間并聯，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，電源內阻高。比如：當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，我們常見在穩壓二極管的前面串聯一只電阻，這只電阻是限流電阻，也可看成是為增加電源內阻而設定的，由于此電阻的限流，穩壓二極管就能將電壓箝定在它的閾值上，但負載電流不能大，否則穩壓值低于閾值，所以在小電流電路中，使用壓敏器件進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、電源內阻小。如果在這樣的電路上使用壓敏器件并聯在線路上，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，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，這樣用戶設備同樣受雷電過壓的沖擊。

現在市面上有些設備號稱具有防雷功能，單純的將防雷器件和整機并聯在電源上，并在電源電路上串聯保險絲。制作者們認為在雷擊過程中，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備上，而且由于電源內阻小，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，對于微電子設備而言是不可取的。

要使壓敏器件在電源電路上發揮避雷作用，只有增加電源內阻即在電路上串聯電抗元件，但是由于這個電抗元件使電路在正常工作狀態下，降低了工作電壓，同時又隨負載的變化而波動使此電源不能使用，所以當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象。什么是浪流呢？雷電如水浪一樣來勢兇猛，下降迅速，認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。

當前對于微電子設備的防雷方法使用1∶1變壓器，普遍認為具有較好的防雷效果，為什么能得到這樣的效果呢？認為：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，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。因為現在生產的氧化鋅壓敏器件瞬間電流可達數千安培。

3結語

本文簡略地表達了雷電成因、雷電過程以及分析了當今防雷的方法，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，以達到正確地選用防雷器件保護微電子設備。