主題: 電腦的快速發展對避雷系統的影響

[阿]

文章來自機電現場技術雜誌6主顏世雄先生                                      
                                                                           
主編的話：                                                                  
                                                                           
        大家一聽「雷害」就會想到裝「避雷針」，以為避雷針是「避雷符」避雷針一    插，萬事 ok。但不管有沒有裝避雷針，時常會聽到高科技設備遭受「雷破壞」的 怨聲。所以吾人必需尋找正確的避雷措施，把從人人討厭的「雷電流」丟進電的「拉圾桶」大地，與污水需要排入「下水溝」是同一道理。故本刊計劃在此夏天要來 臨前出版「避雷針與接地」特刊，如能因此而有益我國避雷技術的提昇則幸矣!  
                                                                           
                                                                           
一、雷電流與雷電壓                                                          
        大家都說雷是「高電壓」所以會破壞。但筆者常會提醒大家，雷並不是高電壓，是「大電流」因此才會破壞。只是電壓高，只會破壞「絕緣」，能量不足時人員 不致於死，設備不修於燒毀。通大電統，即能量大，人會死，設備會「燒毀」。習知，雷雲放電就是雷擊。雲對地是一電容器，充電成為帶靜電的雷雲，此電容器放電就是雷擊。放電前的「充電電壓」是「雲的電位」，不是「雷電壓」。如果沒有落電，沒有什麼可怕的。但如果落雷了，放出雲所儲存的電量，即洩放雷電流。因 此「直」或「間」接雷擊的雷破壞都是指「雷電流」的破壞，而非「雷電壓」的破壞。                                                                    
        所謂避雷就是針對付「雷電流」的措施。大家都知道，「大禹治水」的故事。
       「洪水」是靠「疏通」治好的，同樣「雷電流」就是需要「疏通」才能避雷。
                                                                           
二、避雷針(導雷針)與消雷針                                                  
                                                                           
        俗稱避雷針的導雷針把可惡的「雷電統」導入大地，以此避免雷電流損害人體
    、設備。為此目的，當然引雷效果愈佳愈好。本特刊對「提前放電型避雷針」，即
    以強制放電方式引雷電流進入對吾人無害的大地的避雷針有所介紹。有人認為以小
    電統長時間把雷朧荷中和消耗掉亦就不會落雷，緩和屋頂附近的電位梯度可消雷，
    本特刊對消雷針亦有所介紹。                                              
                                                                           
三、雷電流是從地下冒出來的                                                  
                                                                           
        大家都說「雷是從天上打出來的」的，此話對建築工程師來說是對的，但對電
    機、電子工程師則此觀念是錯的。從天上打下來的雷怎麼會打在屋內的電子設備呢
    ？「雷是從地下打出來」才是正確。以避雷針、電力系統 gw 等洩放大地的大雷電
    流免不了漏了一小部分，一如沖水時排水管亦會溢出一點點髒水，怎麼辦？最佳辦
    法就是「吸」掉滲水。應排人大地的小雷電流如沒有排除乾淨仍然會破壞電子元件
    ，故由接地冒出來的「雷電流突波」，需要使用「突波吸收器、避雷器、mov。。
    」之類來消除就可以了。本刊對避雷器的應用有詳盡報告。                    
                                                                           
四、同電位就不會有電流                                                      
                                                                           
        學過電就知道「無電位差就不會有電流」。沒有電位「差 (可帶電位 )」的兩
    點間人體、設備就不會出現電流打死人、破壞設備。所以最佳避雷措施就是維持同
    電但。雷電流亦會形成即干擾電、磁場。本刊所提供最佳方案就是「維持同電位」
    如果整座大樓形成法拉利籠 (FARADAY CAGE)，到處都是同電位，再配合輸入 / 出
    端子的吸收雷電流措施，則不管雷打在那裡？多大的雷電流？都與大樓內的設備、
    人員無關。本刊某篇文章對此有詳細說明。                                  
                                                                           
五、高科技設備需要穩定的接地電阻                                            
                                                                           
        接地是電子設備的「參考點」。參考點電位穩定才能使電子設備運作穩定。故
    對此問題亦特請專人介紹某種厚質銅管內加入天然鹽士混合物，令鹽類吸收濕氣形
    成導電性高的電解液滲透出周圍的土質內，以此可獲得穩定性高的特殊接地電極。

[阿]

雷有幾種？雷害的途徑有幾種？何種危害的機率大？                              
一般雷可分為三種：                                                          
        1 直擊雷: 直擊雷是向地面上的物體直接性落雷，並向地面釋放極大的電流，
    同時引起局部性的大地電位上昇。                                          
        感應雷: 隨著落雷時大電流放電，讓周圍的架空電線產生電磁感應雷突波電位
    ，然後傳遞至建築物內侵襲其內部設備。                                    
                                                                           
        雲間放電: 由帶有不同極性電荷的雷雲塊引起的靜電感應而放電，此機制再透
    過感應雷以突波方式在架空電線上傳播。                                    
                                                                           
由以上三種雷損壞建築物或設備的途徑有以下三種:                              
        1 直接雷害: 是指雷雲對大地或建築物某點發生的強烈放電，它可以直接擊中
    設備，更多的直接擊中架空線，如電力線、電話線等。雷電流便沿著導線進入設備
    ，應而造成損壞。                                                        
                                                                           
        2 感應雷害: 它可以分為靜電感應及電磁感應。當帶電雷雲 (一般帶負電 )出
    現在導線上空時，由於靜電感應儘用，導線上束縛了大量的相反電荷。一但雷雲對
    某目標放電，雷雲上的負電荷便瞬間消失，此時導線上的大量正電荷依然存在，並
    以雷朧波的形式延著導線經設備入地，引起設備損壞。另一種情況是當雷電流沿著
    導體流入大地時，由於頻率高、強度大，在導體的附近便產生很強的交變電磁場，
    如果設備在這個場中，便會感應出很高的電壓，以致損壞。                    
                                                                           
        3 地電位反擊: 當 10kva 的雷電流通過下導體入地時，我們假設接地電阻為
    10 歐姆，根據歐姆定律我們可知在第地點 a 處電殌為 100kva。因 a 點與 b、c
    、d 點相逢，所以這幾點電壓都為 100kva。而 e 點接地，其電殌值為 0，設備的
    d 點與e點間有100kv的電壓差。a跌以私設備損壞。                          
                                                                           
        一般人對雷擊及雷害的印象只拘限於直接雷擊的大量電流及高電壓所造成人員
    傷亡及設備燒壞的情景，但是其產生機率且非常小，再加建築物的保護其損失就更
    小了。由於感應雷擊其發生的機率比較多，而且影響面積較大再加上第一節所述微
    電腦的快速發展，而使得受雷擊影響，機率最大的為處感應雷的 2 項感應雷害。
    也就是感應雷擊其雷電磁波、感應電源線或信號線產生了瞬間電壓突波，經由電源
    線或信號線傳導到設備內損壞了微電腦的硬體設備，如微電腦主機、微電腦傳輸設
    備或微電腦控制器等，當機而使機器設備不能使用，生產線停止生產。或影響人們
    日常生渚如電梯當機等，所造成的損失及影響更大。而且雷擊的電磁波，其所產生
    瞬冒電壓突波會影響到整棟建築物內的大部份設備，所以其影響層面很大，以致於
    如何減少及降低因雷擊而造成的電壓突波的干擾為目前防雷的重點。

[LeMax]

這一篇不知道可不可以討論.
關於
[三、雷電流是從地下冒出來的 ]這一段,弟雖也是學電子工程, 卻也一直認為「雷是從天上打出來的」的, 我想我的老師可能誤我三十年.
當時的說法是這樣:

一般的觀念認為電流流向是[正流向負],這是電洞流的方向,電洞是不會流動的,會流動是電子,所以應稱為電子流,電子流是[負流向正].
而雷形成的則是:於雲層中水滴的摩擦,使正電積聚在雲的上端，而負電則在雲的下方,與地面的正電相吸引,中間的空氣則是絕緣体,所以天高氣爽時不易落雷,天氣溼冷雲層低時則易落雷(絕緣差).
落雷時,我們眼睛所看到的是一道光由雲端直落到地,實際是大量電子流以光速流向地面,與空氣磨擦產生光.熱及雷聲.

所以,弟依然認為「雷是從天上打出來的」的.

不知 阿忠兄對此可有不同的看法. 還是它想表示的是其它什麼的 ? 而我沒有看懂 ? m(_'_)m 謝謝!!

[阿]

這一篇不知道可不可以討論.
關於
[三、雷電流是從地下冒出來的 ]這一段,弟雖也是學電子工程, 卻也一直認為「雷是從天上打出來的」的, 我想我的老師可能誤我三十年.
當時的說法是這樣:

一般的觀念認為電流流向是[正流向負],這是電洞流的方向,電洞是不會流動的,會流動是電子,所以應稱為電子流,電子流是[負流向正].
而雷形成的則是:於雲層中水滴的摩擦,使正電積聚在雲的上端，而負電則在雲的下方,與地面的正電相吸引,中間的空氣則是絕緣体,所以天高氣爽時不易落雷,天氣溼冷雲層低時則易落雷(絕緣差).
落雷時,我們眼睛所看到的是一道光由雲端直落到地,實際是大量電子流以光速流向地面,與空氣磨擦產生光.熱及雷聲.

所以,弟依然認為「雷是從天上打出來的」的.

不知 阿忠兄對此可有不同的看法. 還是它想表示的是其它什麼的 ? 而我沒有看懂 ? m(_'_)m 謝謝!!

當然 是可以討論因為這部份我知道的不算很深入
我從書中先取出一段
二、落雷發生的原因
一般而言，雷擊發生的瞬間，周圍的大氣溫度會被加熱至攝氏三萬多度的高，此溫度與太陽表面的溫度相去不遠，只是持續的時間非常短。雷擊波發生時的頻率可達2mz，而電流約在10到120ka之間波前持續時間約90usec，波尾的持續時間約為120usec。
       
       雲中所含的電子放電種類大致可分為累積式與非累積式。此類雲層通常位於距地500m至4000m的高空中，雲層底部幾乎是平的而整個雲體的結構大小約在5k㎡至30k㎡左右。落雷的形式主要是由於雲中所累積之水蒸氣粒子所引發之放電現象，此電場的出現使得帶正電的水滴聚集在雲層的底端，而帶負電的水滴粒子則聚於雲層的頂端，而使得雲層本身成為一大型的靜電電荷產生器(electrostatic charge generator)。
   
       而所產生電荷之極性分佈則是負電荷在雲層底端正電荷在雲層頂端，造成這種現象的主要原是在水滴下降的過程中會吸引負離子而使得雲層的底部滿負電荷，而原本位於雲層底端的正電荷則會向雲層頂端移動，如圖1所示。

       而此不同的極性就是導致雲對雲放電的主因，當雲層下部接近地面時，雲底所聚集的負電電荷會使地表產生等量但極性相反的電荷，在此情況下，在雲層此地面間則形成一天然而巨大的電容器。而在雲層與地面間所形成的電位差，即雷擊，形成的原因。

       當雲層底部負電荷之粒子濃度越來越高時，第一次的放電，即所謂的雷擊前導波會覺在雲層與大地間形成一通道，而其它的相繼放電都會沿著同一通道進行。當放電電流接近時面同時，在地面也會因為電荷濃度的昇高而形成一由地表向雲層的反向電流。當雲層與地面間的電荷密度達到飽和時，在雲中的負電荷以及地面的正電荷就會開始放電形成由地面向上的回擊波，而正電荷與負電荷放電電流接觸的點稱為"辨別點"此點到地表的距離稱為衝擊距離，通常發生在離地表15m至50m的高度。圖2為用照相機所拍攝出的電擊發生時波形的行進過程，而右圖則是人類肉眼所閱的閃電，僅一單純路徑而巳。

       雷擊基本上是一個雲與地間電荷交換的過程，此電荷交換的過程會中和原本在雲層中所積聚的電荷能是。

       通常我們肉眼所見到的閃光以及所聽到轟隆的雷聲，都發生在雷擊的回擊過程中，在此時放電電流值會達到最高峰，我們在規劃及計算保護系統時，就應考慮此最大電流量，以將設備或建築物做一最適當的保護。

       在放電發生的時候，因為雲層中的負電荷被中和了，所以雲層原本處於平衡的靜電場亦不復存在，而雲層內部就會開始有放電產生，而雲層內的電荷也會重新排列而並形成雲層內的第二次放電，此二次放仍會沿著第一次放電的路徑行進。

       其它種類的雷擊包括由地表開始產生的正電荷，由地表向雲層移動，當波前到達雲層時會產生非常明亮且劇烈的放電現象。此種由地表帶正電荷延伸而上的雷擊通常發生在雲層與大型建築物間，如摩天大樓等。

[LeMax]

感謝 阿忠兄的文章, 老實說上面的資訊內容,很多都是第一次聽到.

像 [地面向上的回擊波] , 跟本無法想像 .

弟 以 google 查詢了相關資料文章, 說的比較詳的, 的確和阿忠兄的文章大同小異.

弟用 [雷是不是從天上打出來的 ?] 問公司中的同事, 回答清一色是肯定的, 有的還附帶了一堆原理說明, 這些人當中不乏碩士博士(年齡 > 38 ), 真不知道是我們的教育出了問題, 還是這是後來才發現的 ? (今天高雄下小雨但沒打雷)

這個問題如果作個問卷, 不知到底會多少人答對 ? (當然不能作弊)

http://www.hk-phy.org/iq/lightning/lightning.html   雷電的成因(有圖文)

[LeMax]

又有一篇, 說法更詳細, 但不太一樣.
http://sprite.phys.ncku.edu.tw/new/other/lightning/lightning.htm

它說:
閃電，除了向下進行的閃電(雲層到地面)，也有向上進行的閃電(地面到雲層)，...向上進行的閃電並不常見...

[阿]

又有一篇, 說法更詳細, 但不太一樣.
http://sprite.phys.ncku.edu.tw/new/other/lightning/lightning.htm

它說:
閃電，除了向下進行的閃電(雲層到地面)，也有向上進行的閃電(地面到雲層)，...向上進行的閃電並不常見...

你好厲害可以找到我這本雜誌內一些所有的圖，如雲的極性分布，跟閃電的圖
那篇細說閃電的資料都一樣，如果是向上的話，我的上一篇有說那是發生在摩天大樓才有的，而閃電的回擊的次數，應該一、二次的電流是最大的?所以只計算到那的最大電流。
下一篇是避雷接地與建築物採用共同接地或單獨接地系統?