雷電與防雷誤區(qū)

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(hù)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(duì)地這個(gè)雷電場(chǎng)時(shí)，由于避雷針與大地有良好的接觸，此時(shí)電場(chǎng)能量通過(guò)避雷針?lè)烹?，雷電?chǎng)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(qiáng)大的雷電場(chǎng)下的避雷針，能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場(chǎng)消失呢？從電學(xué)原理也說(shuō)不通。因?yàn)閺?qiáng)大的雷電場(chǎng)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(huì)一觸即發(fā)。因?yàn)槠涓叨群土己玫慕拥貤l件要優(yōu)于其它位置，同時(shí)尖端形成的電場(chǎng)又大于其它地方，所以強(qiáng)大的雷電場(chǎng)以避雷針為中心放電區(qū)，如果說(shuō)避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達(dá)到零值，數(shù)以?xún)|安計(jì)的雷電流可以順利通過(guò)它，不會(huì)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(xiàn)存在著電抗，接地電阻不可能為零，所以雷擊過(guò)程中，它沒(méi)有避雷能力，只起到雷擊位置的引導(dǎo)作用。人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，但對(duì)避雷針有所偏愛(ài)或者說(shuō)對(duì)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(shuō)講不清楚的原因，在避雷針設(shè)置的地方和相對(duì)的空間形成電場(chǎng)，由于避雷針逐步放電而使這一電場(chǎng)建立不起來(lái)，所以避雷針起到消雷的作用。事實(shí)上從20世紀(jì)以來(lái)人們對(duì)避雷針的避雷作用公開(kāi)地提出了質(zhì)疑，因?yàn)楸芾揍槼蔀橐揍樀氖录乙?jiàn)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(qiáng)的電場(chǎng)時(shí)，避雷針對(duì)其電場(chǎng)逐步放電達(dá)到消除這個(gè)電場(chǎng)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(huì)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(chǎng)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(wèn)題。說(shuō)句實(shí)話(huà)，不設(shè)避雷針誰(shuí)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?，?zé)任不在人。

幾乎在出現(xiàn)避雷針的同時(shí)，在輸電線(xiàn)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(gè)尖端所形成的電場(chǎng)在一定間距內(nèi)放電，這個(gè)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(xiàn)上，使雷電的超壓值通過(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)后，電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎(chǔ)上加了對(duì)電壓敏感的電阻元件，此元件在超過(guò)額定電壓時(shí)呈現(xiàn)的電阻小，反之阻值增大，對(duì)過(guò)壓引起的電流起到開(kāi)關(guān)作用，這種避雷器稱(chēng)“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(gè)目的：使輸電線(xiàn)上的過(guò)壓值，通過(guò)這些器件，箝位在人為的整定值上，從而使用戶(hù)設(shè)備的端電壓不超過(guò)額定電壓，確保用戶(hù)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(lái)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(guò)程中的反應(yīng)：

（1）高壓輸電線(xiàn)雷電勢(shì)的分布與過(guò)渡

高壓輸電線(xiàn)是三相三線(xiàn)制，線(xiàn)對(duì)地是絕緣的。不管輸電線(xiàn)受感應(yīng)雷或直接雷影響，在三線(xiàn)中的雷電勢(shì)的電位和相位均是相同的，線(xiàn)與線(xiàn)之間的電位差等于零。所以當(dāng)雷擊高壓輸電線(xiàn)時(shí)，主要危及輸電線(xiàn)及其在線(xiàn)路上運(yùn)行的變壓器的對(duì)地絕緣。在三線(xiàn)的輸電線(xiàn)中，由于各種原因三線(xiàn)對(duì)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一線(xiàn)首先向地放電現(xiàn)象。由于一線(xiàn)放電，該線(xiàn)雷電位迅速下降，此時(shí)另外二線(xiàn)的雷電位就高于放電線(xiàn)，線(xiàn)與線(xiàn)之間就出現(xiàn)了雷電位差，這個(gè)電壓通過(guò)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(gè)電壓很高時(shí)就危及用戶(hù)設(shè)備的安全。

（2）低壓輸電線(xiàn)雷電勢(shì)的分布與過(guò)渡

低壓為三相四線(xiàn)制，零線(xiàn)與大地相連，雷電發(fā)生在低壓電線(xiàn)時(shí)，由于零線(xiàn)本身存在著電抗，接地電阻不可能達(dá)到零值，四線(xiàn)上的雷電都向地放電，此時(shí)的低壓輸電線(xiàn)首先是零電位急劇上升，當(dāng)然相線(xiàn)由于零電位上升而相應(yīng)上升，而且每相向零線(xiàn)放電時(shí)，都是通過(guò)用戶(hù)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(duì)零線(xiàn)間和相間的雷電流。所以當(dāng)雷擊低壓線(xiàn)時(shí)，對(duì)用戶(hù)設(shè)備造成破壞的一是對(duì)地絕緣，二是超壓過(guò)載，往往由于零線(xiàn)電位升高而破壞用戶(hù)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(jiàn)的如電話(huà)外線(xiàn)及電子線(xiàn)路本身。

上面說(shuō)過(guò)，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(xiàn)路超壓保護(hù)時(shí)，接線(xiàn)方式一般為線(xiàn)間并聯(lián)及線(xiàn)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?yàn)樾‰娏麟娐饭β嗜萘啃?，電源?nèi)阻高。比如：當(dāng)雷電沖擊電話(huà)用戶(hù)時(shí)，雷電流通過(guò)用戶(hù)線(xiàn)倒傳到交換機(jī)的終端，如果交換機(jī)終端安了壓敏器件，壓敏器件對(duì)雷電流進(jìn)行泄放時(shí)，電話(huà)線(xiàn)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(jiàn)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(shuō)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(diǎn)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(xiàn)路上，力圖用壓敏器件的過(guò)壓放電特性，將過(guò)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(gè)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(guò)程中，壓敏器件兩端電壓不會(huì)低于線(xiàn)路的過(guò)壓值，這樣用戶(hù)設(shè)備同樣受雷電過(guò)壓的沖擊。

現(xiàn)在市面上有些設(shè)備號(hào)稱(chēng)具有防雷功能，單純的將防雷器件和整機(jī)并聯(lián)在電源上，并在電源電路上串聯(lián)保險(xiǎn)絲。制作者們認(rèn)為在雷擊過(guò)程中，壓敏器件放電而使電路過(guò)流而熔斷保險(xiǎn)絲，達(dá)到避雷的目的。這樣的接線(xiàn)，對(duì)功率器件即電機(jī)和電力變壓器有一定的避雷作用，但對(duì)于微電子設(shè)備沒(méi)有防范功效。前面說(shuō)過(guò)加在壓敏器件上的過(guò)壓值同時(shí)加到了用戶(hù)設(shè)備上，而且由于電源內(nèi)阻小，電壓不會(huì)因此而降落很多，另外，保險(xiǎn)絲是一個(gè)熱元件，有一個(gè)熔斷時(shí)間，所以用保險(xiǎn)絲與壓敏器件配合的避雷器裝置，對(duì)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(gè)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(shí)又隨負(fù)載的變化而波動(dòng)使此電源不能使用，所以當(dāng)今防雷問(wèn)題的焦點(diǎn)幾乎在電源線(xiàn)引雷問(wèn)題上。

由于電源線(xiàn)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(lái)勢(shì)兇猛，下降迅速，認(rèn)為這樣一個(gè)沖擊電流主要分量在高頻，所以在電路上使用毫亨級(jí)的電感就能防止浪流。當(dāng)然毫亨級(jí)的電感對(duì)于50Hz的電源頻率幾乎不形成有影響的電抗。但是前面說(shuō)過(guò)，雷電是靜電場(chǎng)的放電現(xiàn)象，主要分量是直流，諧波頻率較寬。這個(gè)交流分量很小，所以把雷電頻譜定在高頻是不對(duì)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(duì)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(méi)有說(shuō)到點(diǎn)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?yàn)楝F(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(yǔ)

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