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技术专题

雷电与防雷误区

2015-09-10 08:54 浏览

 随着电子技术的发展,电子器件已进入大规模集成电路时代。电子设备的功能得以改善,运行的可靠性不断提高,然而防雷的能力却大大地降低了。现在,每年遭到雷击而造成的损失数以亿元计,所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件,但由于对雷电的了解不全面或对器件性能的偏见,往往得不到预期的效果。由于不得其法,浪费了大量资财。本文阐述雷电的成因并指出当前防雷误区,力图打破似乎冻结的防雷方法的规范,以求防雷研究的进展。

1 雷电的形成 
1.1 自然界的自由电荷 
    在电子学中,当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中,围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出,使原子缺少电子或者自由电子单独存在而对外部形成电场的带电现象。
    金属导体和绝缘体的内部结构区别在于:金属导体中的自由电子内部引力较弱,而绝缘体内部引力较强。所以在金属导体环路中,如加上一种使自由电子逸出的力量(这个力量我们叫电压),由于环路中电压的存在,金属中的电子产生位移式的流动,不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的,一旦去掉加在环路中的电压,环路立即处于中性,没有电子的流动,不再产生电场。
    对非环路的金属,比如两块相互平行的金属板,它们之间以空气为介质,如在这两块板上加上电压,金属导体中的电子按同性相斥,异性相吸规律,使电子向一面流动,产生电场,这种现象称为静电现象。这时对某一块金属来说,它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了,这时如去掉加在其上的电压,它不像环路那样呈现电中性,却仍保持带电性质,仍然有电场的存在,但是随着时间的推移,这个电场会自然消失。正统的理论解释为A片金属的电子通过介质层逐步释放给B片金属的结果,这是以环路电流理论为依据的论点。但是,如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从A向B释放电子的距离,两块金属会不会永久性地带电呢?事实告诉我们,随着时间的推移带电现象也随之消失,这是什么原因呢?教科书上提到的摩擦起电现象,即绝缘体相互摩擦后,绝缘体出现带电现象,在这种情况下,是否需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢?事实并非如此,这些悬于空间的带电物体,不管带电性质如何,只要与大地接触一下,带电现象就立即消失。因此这种现象告诉我们,在自然界中,A给B的电荷,A不必从B收回,B多余的电荷也不一定向A输出,这与金属环路电流理论是不相同的。同时可以推定,自然空间(包括大地在内)各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的,就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。
    自然界之所以拥有大量的自由电荷,从电势形成概念而言,有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因,现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑的活动。自然界的自由电荷的成因,用能量守恒定律来规范,可以这样说:凡有物质运动的地方(包括宇宙射线),就会产生电子运动并形成自由电荷,这是一种能转换成另一种能的变换过程,所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。
    所谓自然界,包括天空与大地这样广阔的空间,这个空间不存在电荷的中性,就大地而言,我们称之为零电位,但大地本身因物质的运动其电位并非为零,它拥有大量的自由电荷,我们可以做一个简单的小实验:用一副耳机,或者一只毫伏表,两根同金属性质的金属棒,在一定距离内分别将金属棒插入地下,棒与棒之间用耳机可以听到地电荷的噪音,如果接上毫伏表发现有电压指示,而这种指示不因放电时间的加长而消失,单线传输的电话线路,电话的耳机里的噪音也连续不断,这些都说明大地自由电荷的存在。当然用上述方法无法测量天空自由电荷,但是我们用长波和中波收音机收听电台时,噪音干扰也连续不断,以此证明,天空中有不断的放电现象,说明天空中存在丰富的自由电荷,同时又能形成一定强度的电场放电。
    这里反复地论证自然界存在自由电荷,其目的是要解释雷电产生的根源,因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。
1.2 雷电场的产生 
    雷电的能量是巨大的,在人类活动中,任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量,那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢?
    上面说过,由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷,当然这些自由电荷是产生雷电的根源。从电子学中得知,要形成一个强大的电场,一定是其中一方是同性质电荷的积累,但是在天空中空气是绝缘的,同性质的电荷又相斥,它们不可能积聚在一起,不可能形成能量的集中,天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自由电荷,且不断增加,在大气层的挤压下向太空高层运动,形成一个电离层,这个电离层是含单性电荷的电子层,其电场的能量是不可估量的。
    当大气层中出现潮湿的空气,在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时,由于云块可看成是一个整体的导体,在电离层电场力的作用下,云层中的电子推向面向地的一端,虽然云块正负电荷的绝对值相等,但实际上形成了一个静电场,在晴天,云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀,它们之间介质绝缘程度较高,不易发生击穿放电现象,但是在雨天,特别是热雨季节,由于云层下降,空气潮湿,在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。
    雷电不单纯是空间对地放电,往往在空间也会形成雷电。这是因为带电云块在空间的位置较高,当地面的潮湿空气急速上升时,它与带电云块形成的电场在空间放电,形成高空雷电。
    上面说过,云块受电离层电场力的作用产生静电现象,这些云块向地放电以后,其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等,形成带电现象,带电云块随着气流运动与另一云块形成电场,当它们逐渐接近时产生放电现象是形成空中雷的原因,当我们观察雷电在空间放电时,往往是一次接一次有连续不断的感觉。
1.3 雷电过程 
    雷电过程也是静电理论中阐明的电场中介质击穿过程。上面说过雷电的成因,雷电是带电云块在运动过程中放电的现象,其放电位置不是固定的,但有一定固定的条件。比如电场中介质的厚度、绝缘系数、气体温度和地表导电系数都影响雷击地点。我们常说的多雷区应该说该地区具备上述诸因素中的几种。但是有人认为雷电是在本位置产生的,这是一种误解。道理很简单:因为在本地区又有什么力量积聚这么大的能量呢?应该是带电云块在运动过程中放电形成雷电,当然在带电云块的作用下,在什么地方放电与地面的前述条件有关,以地貌而言相对高度越高应该说越易遭雷击,这里指的是高建筑物、高山及地表凸出处,但也不一定就在这些地方出现雷击,因为在电场中介质参数不单纯是指厚度,还取决于绝缘系数即环境的温度和气体的温度。我们发现,往往雷击点不在山顶而在平川,这是因为那里的潮湿空气和气温使电场介质的绝缘低于高山而遭雷击。另外,地表的导电也有影响,良好的导电地质比难以导电的地质所产生的雷电场就大得多,所以易导电的地质易于引雷。
    雷电场是一个巨大的静电场,是人类不可建造的。巨大的电场面积和所积聚的巨大能量是不可估量而又不可测量的,人们往往在雷电以后,从被雷击的物体破坏的程度估计它的大小。对于雷电流用数以亿安计的词来形容是不过份的,雷电场在放电过程中与静电场放电有相似的地方,但也有差别,人为形成的静电场其储能是极为有限的,所以它在放电过程中放电电流是从最大值逐步减弱,而雷电场就不同,由于储能巨大,在放电时因通过空间的阻力开始阶段不可能使电场减弱,而是在放电时空气加热以后放电电流达到最大值,再随着电场的减弱放电电流随之下降。所以雷击过程中雷电流是从小到大再减弱,就电的性质而言,由于它是一个静电场的放电,电流的方向是不变的,所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流。
    所以雷电流的主要分量是直流分量,但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也相当大,所以雷电过程中的交流分量也不可小看,雷击过程中,从低频直至米波段这样宽的频谱均受不同程度的干扰,从谐波理论得知,低频段所受干扰较为严重。
    如果我们将地面的物体置于某一位置,雷电对这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。某一物体不在雷电场内,但由于雷电在放电过程,它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击,这样的雷我们称“感应雷”,当某一物体置于雷电场内,而且物体又作为雷电流的导电体,巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏,这种直接置于雷电场受到雷电的冲击,我们称这种雷为“直接雷”。以现代微电子来说,不管感应雷还是直接雷对微电子器件都会造成永久性的破坏。
2 防雷的误区 
2.1 避雷针与避雷器 
    19世纪后叶,人们发现金属导体尖端放电现象。避雷针是典型的利用尖端放电原理做成的防雷装置,在被保护物体上架设一根金属针,并将它与地相通。它是怎样避雷的呢?解释是这样:当避雷针置于空中对地这个雷电场时,由于避雷针与大地有良好的接触,此时电场能量通过避雷针放电,雷电场消失,使它不发生大电流的放电,从而起到消雷的作用。但是这种解释也有不清楚的地方,即位于强大的雷电场下的避雷针,能否按人们的意愿慢慢地放电使雷电场消失呢?从电学原理也说不通。因为强大的雷电场就像炸药缺少引信一样,避雷针所指的空间就像引信,由于避雷针的引导会一触即发。因为其高度和良好的接地条件要优于其它位置,同时尖端形成的电场又大于其它地方,所以强大的雷电场以避雷针为中心放电区,如果说避雷针本身不具有电抗,接地电阻又达到零值,数以亿安计的雷电流可以顺利通过它,不会形成热效应和雷电位,便可达到避雷目的。但避雷针本身和引线存在着电抗,接地电阻不可能为零,所以雷击过程中,它没有避雷能力,只起到雷击位置的引导作用。人们认识到这一点,但对避雷针有所偏爱或者说对雷电成因不理解,他们将雷电解释为是本位置产生的,就是说讲不清楚的原因,在避雷针设置的地方和相对的空间形成电场,由于避雷针逐步放电而使这一电场建立不起来,所以避雷针起到消雷的作用。事实上从20世纪以来人们对避雷针的避雷作用公开地提出了质疑,因为避雷针成为引雷针的事件屡见不鲜。
    然而避雷针在下述情况能发挥一定作用,当带电云块的电量很小,而且又远离地面与大地形成不太强的电场时,避雷针对其电场逐步放电达到消除这个电场的目的。地面有些物体与大地是绝缘的,比如木质结构的古建筑物,在感应雷和直接雷的作用下,可能会带上静电,由于静电的存在可能引起火灾,如果在这些物体上架设避雷针,就可使建筑物与大地形成等电位,避免这些物体在雷电场作用下带静电。
    但是,现代的建筑物几乎都是钢筋水泥结构的,它与大地已形成了等电位,显然架设避雷针是多余的。但是现在的建筑物仍沿袭老规矩架设避雷针,其原因很明显,主要是责任和规范问题。说句实话,不设避雷针谁能保证该建筑物不受雷击?安装了避雷针而遭雷击是老天爷的事,责任不在人。
    几乎在出现避雷针的同时,在输电线上人们利用尖端放电现象发明了尖端放电避雷器,两个尖端所形成的电场在一定间距内放电,这个间距的大小可以设定在一定电压下放电,于是将它安装在输电线上,使雷电的超压值通过此放电器引导入地达到避雷的目的。20世纪初叶,输电线上普遍安装了形似羊角的羊角避雷器,但是由于羊角避雷器在泄放雷电过程中,空气被加热引起电弧不断,虽然有引导电弧上升的形态,但雷电过后,电路不能正常供电。于是在尖端放电的基础上加了对电压敏感的电阻元件,此元件在超过额定电压时呈现的电阻小,反之阻值增大,对过压引起的电流起到开关作用,这种避雷器称“阀型避雷器”。按压敏原理又派生出气敏和氧化锌器件。
    不管羊角型、阀型、气敏和压敏避雷器,它们的结构企图达到一个目的:使输电线上的过压值,通过这些器件,箝位在人为的整定值上,从而使用户设备的端电压不超过额定电压,确保用户设备的安全。
2.2 避雷器件用在不同电路中的反应 
    现在形形色色的避雷器,如果单纯地就其本身结构来判断是否有防雷作用是不全面的,还要看这些器件用在什么电路。下面介绍几种电路在雷电过程中的反应:
    (1)高压输电线雷电势的分布与过渡 
    高压输电线是三相三线制,线对地是绝缘的。不管输电线受感应雷或直接雷影响,在三线中的雷电势的电位和相位均是相同的,线与线之间的电位差等于零。所以当雷击高压输电线时,主要危及输电线及其在线路上运行的变压器的对地绝缘。在三线的输电线中,由于各种原因三线对地绝缘系数不尽相同,特别是高压侧的避雷器绝缘性能更难求得一致,所以在雷击过程中会出现一线首先向地放电现象。由于一线放电,该线雷电位迅速下降,此时另外二线的雷电位就高于放电线,线与线之间就出现了雷电位差,这个电压通过变压器高压侧绕组,低压侧(即变压器副边)就由于电磁感应出现雷电压,这个电压很高时就危及用户设备的安全。
    (2)低压输电线雷电势的分布与过渡 
    低压为三相四线制,零线与大地相连,雷电发生在低压电线时,由于零线本身存在着电抗,接地电阻不可能达到零值,四线上的雷电都向地放电,此时的低压输电线首先是零电位急剧上升,当然相线由于零电位上升而相应上升,而且每相向零线放电时,都是通过用户设备进行的,由于各自的负载不同,相应的雷电位也不尽相同,这样又出现了相对零线间和相间的雷电流。所以当雷击低压线时,对用户设备造成破坏的一是对地绝缘,二是超压过载,往往由于零线电位升高而破坏用户绝缘的故障最明显。
    (3)小电流电路 
    所谓小电流电路系指电源功率容量小、电源内阻高的电路网络,这种电路我们常见的如电话外线及电子线路本身。
    上面说过,目前的防雷器件是由尖端放电和压敏原理派生,这些器件用于线路超压保护时,接线方式一般为线间并联及线与地间并联,这种器件在小电流电路上是能有效地箝定超压电流的,因为小电流电路功率容量小,电源内阻高。比如:当雷电冲击电话用户时,雷电流通过用户线倒传到交换机的终端,如果交换机终端安了压敏器件,压敏器件对雷电流进行泄放时,电话线路由于阻值大将雷电流给予限制,因此压敏器件能箝定在它的阈值上。在电子电路中,我们常见在稳压二极管的前面串联一只电阻,这只电阻是限流电阻,也可看成是为增加电源内阻而设定的,由于此电阻的限流,稳压二极管就能将电压箝定在它的阈值上,但负载电流不能大,否则稳压值低于阈值,所以在小电流电路中,使用压敏器件进行电压的箝位能有效地防止雷电的冲击,就是说防雷效果是显著的。
    (4)大电流电路 
    大电流电路一般指电源电路,这种电路的特点是功率容量大、电源内阻小。如果在这样的电路上使用压敏器件并联在线路上,力图用压敏器件的过压放电特性,将过压值箝定在压敏器件的阈值上显然是做不到的。雷电要在电源电路形成超压状态,它的功率能量必须大于电源电路的能量,这样一个巨大的能量由压敏器件泄放而器件本身不损坏是不可能的,这是其一;其二,由于电源内阻小,就是在压敏器件放电过程中,压敏器件两端电压不会低于线路的过压值,这样用户设备同样受雷电过压的冲击。
    现在市面上有些设备号称具有防雷功能,单纯的将防雷器件和整机并联在电源上,并在电源电路上串联保险丝。制作者们认为在雷击过程中,压敏器件放电而使电路过流而熔断保险丝,达到避雷的目的。这样的接线,对功率器件即电机和电力变压器有一定的避雷作用,但对于微电子设备没有防范功效。前面说过加在压敏器件上的过压值同时加到了用户设备上,而且由于电源内阻小,电压不会因此而降落很多,另外,保险丝是一个热元件,有一个熔断时间,所以用保险丝与压敏器件配合的避雷器装置,对于微电子设备而言是不可取的。
    要使压敏器件在电源电路上发挥避雷作用,只有增加电源内阻即在电路上串联电抗元件,但是由于这个电抗元件使电路在正常工作状态下,降低了工作电压,同时又随负载的变化而波动使此电源不能使用,所以当今防雷问题的焦点几乎在电源线引雷问题上。
    由于电源线上不能串联电抗元件,但又要使用压敏器件泄放雷电流,于是有人从雷电频谱入手,提出了雷电的浪流现象。什么是浪流呢?雷电如水浪一样来势凶猛,下降迅速,认为这样一个冲击电流主要分量在高频,所以在电路上使用毫亨级的电感就能防止浪流。当然毫亨级的电感对于50Hz的电源频率几乎不形成有影响的电抗。但是前面说过,雷电是静电场的放电现象,主要分量是直流,谐波频率较宽。这个交流分量很小,所以把雷电频谱定在高频是不对的,因此使用高频电感的方法要获得较好的防雷效果是不可能的。
    当前对于微电子设备的防雷方法使用1∶1变压器,普遍认为具有较好的防雷效果,为什么能得到这样的效果呢?认为:它能阻止浪流,起隔离作用。但这种解释没有说到点子上。应该是1∶1隔离变压器将大功率容量的电源变成了定功率容量的电源。由于变压器具有磁饱和效应,如果在它的副边并接压敏器件,由于功率容量受到限制,压敏器件能将电压箝位。因为现在生产的氧化锌压敏器件瞬间电流可达数千安培。
3 结语 
    本文简略地表达了雷电成因、雷电过程以及分析了当今防雷的方法,其目的是提出一个思维,以便对市面上形形色色的防雷器件的防雷效果有一个理智的判断,以达到正确地选用防雷器件保护微电子设备。

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