避雷针小常识

完整避雷系統介紹

§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：

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，以防止來自電力線之突波和暫態造成設備之破壞和當機

之損失。

6. 保護所有設備，以防止來自電信和信號線路之突波和暫態造成設備之破

壞和當機之損失。

上述六點保護計劃若能徹底執行，則建築物及其內部之人員、機電、通信、電腦、儀器等精密電子設備，即能得到安全之保障。

§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（如圖1所示）。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。

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106~107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，圖二所示為如何由一孤立點形成閃擊距離半球體，當先導電荷量愈大，則閃擊距離愈長。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，圖三有一限制的向上速度拋物線放置在半球體上，此拋物線係由速度因數( 向下先導與向上閃流之速度比)所導出，此兩曲線相交之範圍即為所謂的「收集體積」。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。圖三顯示出收集體積隨著電荷量之增加而變大，也就是當雷電電流愈大，其收集體積愈大，但其攔截雷電之機率(有效保護位準)也就相對降低了。

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，如圖四所示。

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