雷电与防雷误区
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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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