技术交流之避雷与接地

传统避雷针是引雷入地，必须接地，而且一定要接好。我国新近发明的等离子避雷球技术是真正的避雷，使被保护对像不遭雷击，从而使内部微电子设备免遭直接雷害。等离子避雷球技术就不依靠接地，不接地更好。所以，避雷不要求接地。遭雷击的危险性用雷击点处空气电场强度表征。因此，绝缘性能好的地面比导电性能好的地面遭雷击少。与地绝缘的导体比接地导体遭雷击的概率小。

一． 引言 我国新近发明的等离子避雷球技术能保护地面、水面或空中物体不受直接雷击，从而使物体内部的现代化设备不遭直接雷害。 长期来，人们对闪电物理的研究懂得，起闪过程和闪电在空气中传输过程中，大气电场强度起着决定性的作用。闪电本身是大气中的电击穿现象，它是大气中某处电场强度达到或超过击穿空气的数值后造成空气的局部电离，当后续电流供得上时，就可以形成自击穿而成为闪电。因此电场强度可表征能否形成闪电的危险性大小。 上行雷的情况下，地面目标表面大气电场强度是由于雷云电荷和该目标表面感应电荷以及地面其他目标感应电荷共同产生的。由于电荷产生的电场强度与距离平方成反比，所以这些电荷对该目标表面大气电场强度的贡献以该表面感应电荷为最大。以地面杆形目标为例，若杆长10米，杆粗Φ1厘米，则杆端电场强度的99.5 %是由杆端处表面感应电荷产生的。 对于下行雷，地面目标大气电场强度的产生源，除了云中电荷外，还加下行先导所带电荷，再加上该目标表面感应电荷，以及其他地面目标的感应电荷。这些电荷在该目标表面都产生电场，其大小与距离平方成反比。因此，地面目标大气电场强度主要由该目标表面感应电荷产生。由于电场强度表征遭雷击危险性大小，因此，感应电荷面密度同样可作为遭雷击危险性的表征。 既然一个目标上某处遭雷击的危险性大小可用该目标该处的感应电荷面密度来表征，一个自然的推论就是，假如能把该处电荷面密度削弱到安全范围之内，则该处就不会遭雷击。这是一个避雷的新思路。等离子避雷球就是这个新思路产生出来的新一代避雷产品。 可以看到，等离子避雷球技术是真正的避雷，它不要求接地。传统的避雷针实际是引雷，而且还要入地，因此，必须要接地，而且要接好。总之，避雷与接地没有必然联系。本文进一步论证，对避雷的目标而言，不接地反而比接地更好。

二． 遭雷击危险性的表征 地面目标遭雷击的危险性用该目标表面大气电场强度的大小来表征。对于上行雷，雷云电荷使地面目标产生感应电荷，随着雷云电荷的不断増强，目标表面大气电场也不断增强，当目标表面大气电场强度达到或超过击穿空气的数值时，就从目标表面产生上行先导，发展成一个上行雷，该目标就遭了一次雷击。该目标是否遭这样的雷击就取决于该目标表面大气电场强度是否比周围其他目标表面电场强度率先达到击穿空气的数值。因此目标表面大气电场强度就表征该目标是否遭这种雷击的危险性大小。对于下行雷，雷云电荷首先从云中某处产生击穿空气的电离而造成下行先导。各地面目标上都产生感应电荷，使各地面目标表面大气电场强度增强。当下行先导向下传递，到达雷击高度后，某一个或几个地面目标表面电场强度达到或超过了击穿空气的数值，该目标表面就产生上迎先导，向上传输与下行先导交汇，然后就产生强烈的回击，该目标就遭到了雷击。在这一过程中，地面目标表面的大气电场强度表征了该目标遭这种雷击的危险性的大小。 由此可见，不管是上行雷或下行雷，地面目标遭雷击危险性的大小都用该目标表面大气电场强度值来表征。

三． 垂直导电棒接地与否的遭雷击危险性的比较 垂直导电棒遭雷击的危险性大小用棒上端表面大气电场强度来表征。用长椭球来近似导电棒，而且认为雷电场在棒的附近空间中是均匀电场，则棒表面的大气电场强度有解析解. 可以看到，棒上端表面大气电场强度正比于棒长和棒粗之比值。当导电棒不接地时，考虑到地面的镜像，棒上端表面大气电场强度实际值还更小一点。这时棒的电位等于棒腰处的空气电位。当导体接地时，棒的电位等于零，即地面电位，考虑到地面的镜像，就像棒长了一倍，因此棒上端表面大气电场强度整整大了一倍。也就是说，接地导电棒遭雷击的危险性比对地绝缘的导电棒大一倍。

四． 地表导电性能与遭雷击概率 电介质中产生感应电菏的驰豫时间常数为：r=ε/σ 其中ε为介电常数，σ为电导率。把地作为一种电介质，干土的介电常数约为2.5x10-11F/m,电导率好的地表σ为10－2量级，则驰豫时间常数约等于2.5纳秒。若电导率差到σ为10-9量级，则驰豫时间常数约等于25微秒。这已与雷击高度上的等待时间同一数量级了。这种情况下，地表感应电菏来不及充份形成，使得遭雷击的危险性大为减小。因此，地表导电性能与遭雷击概率有时会密切相关。