1. 避雷針保護範圍的理論與實驗
作者：佚名--------文章來源： 網站前言
每年的三月中旬起，一年一度的雷雨季即將在驚蟄前後之春雷拉開序幕。在科技日新月異、設備日益精密的今日，雷害之程度不可同日而語。在此筆者有意呼籲工程設計、施工人員及業主之保養維護人員應『正視避雷系統』。「雷電」——
這令人驚懼的自然現象是永遠存在，而且不可預期之敵人，對人類和世界日愈複雜和進步之建築以及設備而言，永遠是危險的。單一的直接雷擊，數以微秒計，即能導致人員之傷亡及毀滅性之破壞，它也會引發火災，導致機電設備、通信和電腦等精密電子設備之主要破壞，同時導致重大之收入損失。
全世界每天約有44000次雷暴發生，大約有900萬次之雷電轟擊陸地或海面。印尼的爪哇平均每年打雷322天。雷電導致全球每年約1000人死亡，就財物損失而言，光是美國每年造成約12億美元之財產損失。有鑑於此，我們的建言：『避雷設備寧可百年不用，不可一日不備。』供各位參考。
六點保護計劃：
說到避雷系統，也許有人認為只要在建築物上方裝上避雷針，拉一條下導體及做一接地系統，即可達到應有之避雷效果，殊不知完整的避雷系統必須考慮到直接雷和感應雷之防護，細分的話，則由下列六點保護計劃所構成：直接雷之保護
上述六點保護計劃之前三項即為建築物之直接雷保護，有關避雷針之保護範圍，依照我國建築技術規則規定，採用圓錐體保護，保護角之計算係採用60 °(一般建築物)或45 °(危險品儲存場所)。自從西元1760年，最普遍的避雷方法—尖針(富蘭克林式避雷針)和水平導體(法拉第籠式)保護或兩者併用，已廣被採用，這些方法已被發展為「圓錐體保護」或「滾球」。就以IEC（International Electro-technical Committee國際電機技術委員會），避雷委員會在1988年所提出之圓錐體保護角草案來說，當建物之高度在20米以下時，則避雷針之保護角度為45 °；當建物之高度在20米~40米時，其保護角度為30 °；當建物之高度為40米~60米時，其保護角度為15 °；至於建物之高度在60米以上時，則圓錐體保護角即不適用，而改採滾球原理。不幸地，很多法規慣例均推荐採用富蘭克林和法拉第籠式保護方式，但又被強迫聲明，例如英國法規BS6651聲明 「經驗顯示避雷針不能被依賴來提供任何保護區內完整的保護」。同樣地，德國法規聲明「經驗證明，對一避雷導體而言，沒有明白的保護區能被指定」。然而，此傳統避雷系統至今已被沿用了二百多年。- 1. 將雷電攔截到最佳和已知的點——避雷針。
- 2. 以安全之方法，經由特別設計之下導體，將雷電傳送到大地。
- 3. 將雷電之能量，以產生最小接地電位昇之方式發散到大地。
- 4. 消除接地迴路，建立接地系統等電位。
- 5. 保護所有設備，防止來自電力線之突波造成設備之破壞和當機之損失。
- 6. 保護所有設備，防止來自電信和信號線路之突波造成設備之破壞和當機之損失。
自從西元1753年，富蘭克林提出避雷針之詳細報告後，一種具有尖端裝在建築物上方用來攔截雷電之富蘭克林避雷針，最廣為採用。其後相繼有人就富蘭克林避雷針進行改善，茲將其改善情形摘述如下：
- 1. 單一桿體，其周圍具有擴散如扇狀之端點。
- 2.在尖針周圍採用放射性元素之放射，以增加空氣之傳導性。
- 3.以太陽能或電池供電之火花產生器，以產生空氣游離。
- 4.一種火花產生器，其能量係來自雷暴及雷電發生前大氣中所存在之自然靜電場。
- 5.在桿體端點由高壓產生器產生高壓，藉以製造並維持其最大電暈放電，並由此電暈放電所產生之離子，在桿體尖端上方形成一游離空氣柱，
以增加空氣之傳導性，易於將雷電攔截。 - 6.一種採用壓電裝置來產生電暈效應及使大氣游離之避雷針。
由上述種種避雷針之改進看來，不外乎提高尖針處之空氣游離，以增加空氣之傳導性，亦即降低造成雷擊所需之電位梯度，以便容易將雷電攔截，此乃因截至目前為止，尚沒有一種避雷方法可以有效阻止雷電之發生。也就是說，雷電之發生是無法阻止的，故必須在建築物之上方安裝避雷針，將雷電予以攔截，以防止建築物及其屋頂上之任何凸出物遭受直接雷擊。
當雷雲底部之電荷量與大地間之電場強度破壞空氣之介質達到崩潰點時，即會由雷雲底部產生向下先導，以10
~10 米/秒之速度向大地行進。
當雷電先導向下行進時，雷電之電荷量Q係分佈於先導之周圍，而先導與接地端之電場急速上升，當此電場上升至一臨界值時，此接地端即會發射一向上閃流來攔截雷電先導，發生此動作之距離稱為「閃擊距離」。臨界電場係由先導電荷量及其與接地端間之距離所決定。研究人員已證實，雷電之放電峰值電流與先導電荷量有關，因而可由放電參數來界定其攔截雷電之機率。例如放電峰值電流在6.5KA以上之雷電，其發生之機率高達98%，則當設計閃擊距離等於6.5KA時，即表示將提供所有雷電之98%之攔截率。此外，向下先導與向上閃流之相對速度亦必須被考慮。當向下先導進入此範圍，即會被建立此收集體積之接地端所攔截。
感應雷之保護：
上述六點保護計劃中之第五項是為防止雷電突波和暫態經由電力線路進入室內，而將室內之通信、電腦等精密電子設備破壞。以上所導出之收集體積係基於理論上之單一點，然而實際上建築物上有角落、女兒牆、屋頂凸出物如天線、旗桿、廣告牌塔及冷氣水塔等，所有這些點亦都各有其單獨之收集體積。
最新的研究和記錄方式使得對雷電放電過程有更進一步之瞭解，對雷雲之電場、向下先導之傳播、向上閃流之發射、峰值電流之大小、電流波形和傳播速度等參數也都有記錄。避雷專業工程師終於研發出一可靠的電腦設計程式，此電腦輔助設計可為客戶提供個案設計，針對建築物之外觀、造型、功能、內部所納之設備、雷電放電參數以及建築物上各主要結構點(凸出物)之電場集中(增強因數)等納入計算，它是採用收集體積設計原理，以確保避雷針之吸引保護半徑能涵蓋各建築物角落所產生之收集體積(危險區域)，其電腦報表會秀出建築物之高度、避雷針之安裝高度、保護(吸引)半徑、建築物角落之危險(吸引)半徑等，此外，並示出該建築物之平面、立面圖，讓設計人員及業主知道其建築物受保護之程度，此種考量是傳統式避雷針和一般採用圓錐體保護原理所無法達成的。截至目前為止，採用此收集體積保護原理是最新、最安全，而且也最為人所接受之避雷設計。
除了採用有效之避雷針將雷電予以攔截外，避雷系統必須將雷電放電電流安全地傳送至大地，才不致發生側向跳火或使建築物感電之危險。傳統式避雷下導體係採用裸銅絞線或銅帶，就我國建築技術規則規定，當建築物高度在三十公尺以下時，應採用截面積為三十平方公厘以上之銅導線；當建築物高度在三十公尺以上，但未達三十五公尺時，應採用截面積為六十平方公厘以上之銅導線；當建築物高度在三十五公尺以上時，應採用截面積為一百平方公厘以上之銅導線。有關下導體之數量，除煙囪和鐵塔等面積甚小得僅設置一條外，其餘至少應設置二條以上，如建築物之外周長超過一百公尺，每超過五十公尺應增設一條，其超過部份不足五十公尺者得不計，並應使各接地導線間之距離儘量平均。至於下導體轉彎時，其彎曲半徑必須在二十公分以上。
上述傳統避雷下導體與建築物處於物理性與電的雙重接觸，當避雷針攔截雷電，則任一下導體就會因其自電感量而造成電壓上升，而其內部結構鋼筋係接地，而且與下導體僅有幾公分之距離，特別是當導線彎曲時，很少有施工廠商依建築技術規則之規定施工，一般的施工方法是採用現成的塑膠彎管(其彎曲半徑不到十公分)，這種彎曲會造成電感量之增加，亦即造成導線之電壓應力，導致因雷電放電電流造成崩潰而改由結構鋼筋傳送至大地之事件發生，這是造成側向跳火和使建築物感電之主因，導致建築物內部人員之傷亡和機電、通信、電腦、醫療等精密電子設備之破壞或誤動作，此項雷害在此尖端科技產品盛行之時代有激增之趨勢。
為改善上述缺失，避雷工程師已開發出避雷專用下導體(同軸電纜線)，此電纜線採用經過仔細選擇的介電材料，以建立電容性之平衡和確保在高脈衝情況下絕緣之完整性，而這些電容量係由物理的參數所決定，不會因小的尺寸變化而造成戲劇性之改變，能將雷電放電電流限制在內導體，同時，此電纜線採用不銹鋼鞍狀固定器將傳導的外護套固定在建築物上，亦即提供電的連接，消除電纜線與建築物間之阻抗之不均勻，因而消除了側向跳火和建築物感電之危險。
有關避雷系統之接地電極，依我國建築技術規則之規定，可採用1.4公厘厚，0.35平方公尺以上之銅板，或採用直徑19公厘，2.4公尺長之鋼芯包銅棒兩支以上構成，其總接地電阻值應在10Ω以下。接地電阻值與土壤之導電係數有關，而土壤之導電係數又與土壤之成份、土壤之含水量和酸鹼度、溫度等有關，而接地電阻之量測方法與其所測之結果亦有很大之關係，筆者曾到全省各地舉行研討會多次，發現量測接地電阻值時，因參考點之放置位置不正確而造成所量得之電阻值不對的不在少數。雖然接地系統佔避雷系統中很重要之一環，但因為它深埋地下，沒人看得見，故往往是設計單位、施工和監工單位及業主所疏忽的，特別是當土壤之導電係數高，接地電阻無法達到所要求之電阻值時，是否要改善或應如何改善，則不得而知，常常見到花費大量的經費在避雷針(看得到的)，但花費在下導體及接地系統(看不到的)之費用則是少得可憐，這種做法如何能獲得應有之成效是值得懷疑的，也因此而造成部份業主或設計單位對避雷系統失去信心，認為花了不少經費，結果還是達不到效果，真有花錢又受氣的感覺！
雷電脈衝可能經由直接雷擊或近處雷擊之電磁感應和電容耦合方式進入電力線，感應到電力線之雷擊放電電流視地區而定，平均而言大約在30-35KA，但亦可能高達100KA，其中有75%以上之雷擊會出現多重雷擊。除了高電流和能量，主要的問題是非常高的電流上升率(dI/dt
)會導致過高的電壓位準被感應到導線上，初雷擊放電電流之上升率可高達10KA/μS
( 10 A/S )，高達12KV/μS之電壓上升率已被記錄過。
往往有人發現雷電發生在距離自己所處建物三五百公尺之外，或甚至一公里以外，而自己所處之建物內之通信、電腦等精密電子設備卻遭到破壞；或在晴空無雲之晴朗天氣下，室內之通信、電腦等精密電子設備卻無緣無故地遭破壞。其實，有百分之七十以上之無法解釋的電子設備破壞，係肇因於雷擊突波和暫態。
有關電子設備之破壞大到主要設備損失，小到電子零件衰退而導致未來之故障，其他隨之而來的包括資料被竄改、運作之損失、服務之損失、對人員造成之危險和財務之損失等，這些破壞可能影響商業和工業像航空、電腦運算、財政服務、製程控制、政府和國防製造業、電信、採礦和油
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瓦斯等。坦白講，雷電和突波所造成之損失是相當可觀的，若要確實計算雷電突波對一未受保護之設備所造成之損失，則必須把設備更換費用、無法運作(當機)之損失、失去商業機會之損失和造成顧客不滿(商譽受損)之損失全部加起來才正確。
在電力線進入建築物之入口處加裝有效的避雷設備主要是用來減少因過電壓突波和暫態所造成之設備破壞、運作損失和商業損失。並聯型突波消除器(亦名暫態電壓突波保護器TVSS)之設計是要將來自電力線之突波電流及其所含之能量予以導入大地，以保護後面負載之安全，因此，當建築物處於山區、郊外和都會區，其所承受之雷擊突波電流大小和機率均不同，故對並聯型突波消除器之耐雷突波等級應慎重選擇，才能達到經濟又安全之效果。在選用並聯型突波消除器時，應該考慮到之項目不外乎耐雷突波例如40KA、80KA或135KA，在比較此項目時必須註明其突波電流波形像8/20μS或10/350μS，因為對不同的電流波形其耐雷突波是不同的。目前在市場上銷售之並聯型突波消除器(TVSS)很多，但大部份是以黑箱作業，只告訴客戶其耐雷突波有多少KA，乍聽之下會認為其KA值很大，但實際上該避雷器是以黑箱內所有突波消除器之耐雷KA值之總和來說的，至於其實際保護模態(例如L-L,L-N,L-G或N-G)如何？每相實際耐雷為多少KA則不得而知，特別是當配電系統不同及所欲保護之負載設備係接於何處，這些條件與突波消除器(TVSS)之選用是息息相關的，若選用不當，其避雷效果是無法顯現的。其次必須考慮之項目是其殘餘電壓(Let
Through
Voltage)，此值當然愈低愈好。此外，其能量排除能力、是否耐多重雷擊、是否有LED指示其耐雷壽命情況、是否有監控接點、其包裝是否為防爆材料等都是要加以考量的，至於反應時間（Response
time）和排除能量（Energy）往往有製造商用此項規格來比較，其實此項目對突波消除器是不重要的，若不注意，往往會遭到誤導。比如說，如果有一突波消除器其反應時間很短，但若其通過電壓高，則對避雷效果是無濟於事的。同樣的，有製造商強調該公司產品之排除能量很高，結果其通過電壓高，對負載又有何益處。也因為避雷器之材質不同【目前坊間之避雷器產品材質可分為三種，即火花間隙（SPARK
GAP），金屬氧化變阻器（MOV）和矽崩潰二極體【SAD（ Zener
Diode）】，其耐雷突波、殘餘電壓、能量排除能力等上述規格均不同，其價格當然也不同，故選用前必須針對前述各項規格全盤考慮，不能不慎重，否則可能會發生花錢又受氣之憾事。
上述並聯型突波消除器之主要功能是將雷擊突波電流和能量予以導入大地，除了火花間隙（SPARK
GAP）外，其殘餘電壓可能由數百伏到一千伏之間，但其殘餘電壓之電壓上升率可能高達數KV/μS，這種電壓上升率對空調、燈光和動力設備等電感性負載而言是可以承受的，但對電腦、通信、監控及醫療等精密電子設備內之積體電路，特別是目前VLSI
大量被使用而言，這殘餘電壓上升率就是破壞積體電路之主因，為克服此問題，乃有所謂串聯型突波消除濾波器之開發，其構造是在並聯型突波消除器之後加一低通濾波器，將此殘餘電壓之高電壓上升率予以過濾成一6
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9V/μS之穩定正弦波供給後面之精密電子設備使用，使其內部之VLSI不致遭破壞，有關並聯型突波消除器之殘餘電壓與經過濾波器後之電壓波形，則詳如圖五所示。然而，此串聯型突波消除濾波器因與負載串聯，故應考慮其負載電流，這與並聯型突波消除器是截然不同的。為瞭解電源突波消除器(不管是並聯型突波消除器或是串聯型突波消除濾波器)是否有效，因而有所謂的突波計數器問世，它與電源突波消除器合併使用，如此，一方面可以知道接受雷擊之次數，同時又可藉以瞭解避雷器之成效。
前述六點保護計劃之第六項是為防止雷電、電源設備開關甚或靜電放電所導致之突波和暫態經由信號(如電話、電報、傳真、遙測、電腦網路或監控、製程控制設備等
)線路進入室內，因這些突波和暫態會導致錯誤的設備運作或製程控制之誤動作，進而將室內之通信、監控和電腦等精密電子設備破壞。
感應到上述信號線之突波電流會很高，因此，要保護敏感的設備以防止破壞、運作當機和經濟損失，有效的脈衝箝制是重要的。目前市面上之產品其範圍從保護電信、電腦網路到工業控制設備像油/水位撿知器、流量控制器、火災警報、監控系統和地磅等各式各樣設備之保護，選用時，除了考慮耐雷KA等級外，可依其不同之工作電壓、電流和頻率，以及線路之接頭，選用各種不同之信號避雷器予以保護，以確保所有設備之安全。