雷擊防護技術與實務

前言

台灣位於亞熱帶，春夏期間，氣流旺盛，雷雨機率非常高；雷擊遂成為影響電力品質的主要因素。雷擊輕則造成電壓驟降、重則擊毀電力設備；嚴重時更有電力設備爆炸及火災的風險。據此，雷擊防護不可不慎。雷擊如何防護或何為正確的防護，則必須從雷擊特性著手；否則鉅額的避雷投資，不但徒勞無功，更有引雷入室的危機。

我們將針對雷擊特性進行說明，包括感應雷及直擊雷特性、落雷形成、台灣落雷天數及落雷密度統計資料；並簡述雷擊突波以及目前常見的消/引雷系統，如傳統富蘭克林避雷針(Franklin Lightning Rod)、先期放電(Early Streamer Emission, ESE)系統以及消散陣列(Dissipation Array System, DAS)系統。

當系統、設備仰或建築物遭受雷時，完整的避雷系統不可或缺的要角除了避雷針外，就屬接地電極了。我們會從接地的定義開始說起，進而討論各種不同的接地，如電力接地、通信接地、電子設備接地、避雷接地等。

總結正確雷擊防護觀念以及雷擊防護迷思，包含 : 避雷針裝置條件、保護範圍等。並探討台積公司避雷系統與避雷接地的應用實務。

文獻探討

2.1 雷擊的特性

本節首先介紹雷擊特性^[1][2][3]，雷擊放電可分為雲層內部、雲對雲、雲對空氣以及雲對大地的放電，參考 圖1雷擊放電的類型示意圖及 表1各類型雷擊放電的特性。

圖1、雷擊放電的類型示意圖

其中，雷雲對地的放電，稱為直擊雷，對地表的自然物或建築物的影響最為嚴重；其餘三型皆稱為感應雷。

雖然感應雷不若直擊雷對於地表的衝擊那麼嚴重，但感應雷因其頻次頗高，亦會對地表的電力(子)設備造成傷害。以下分別說明之：

1. 雲層內部放電：50%以上的雷層放電係屬雲層內部的放電，此型放電模式對於地面幾乎不會造成干擾。雲層內正、負電荷放電的持續時間約為0.5秒。
2. 雲對雲放電：兩個帶反極性電荷的雲層，相互靠近時所產生的放電。放電前，兩朵雲各自在相互最近距離處集中電荷，形成強大的電場，此強大的電場快速向前擴張形成各自的電荷通道，當雙方的樹枝狀放電路徑擴展至相當接近時則會放電，中和正、負電荷。
3. 雲對空氣放電：當空氣游離所產生的電荷量累積至相當程度時，亦會形成樹枝狀放電路徑而致正、負電荷之間放電。樹枝狀放電路徑的延伸速率大約為每秒10公尺。
4. 雲對地放電：放電前，亦由雲層的電荷尖端朝向大地形成樹枝狀放電路徑，當大地的自然物或建築物的尖端累積電荷至一定程度時，亦會朝向雲層發展樹枝狀放電路徑，乃至上行樹枝與下行樹枝接近處，形成正、負電荷的放電，稱為直擊雷。

雷雲放電現象中，一次閃電(Flash)通常包含3~4次的衝擊(Stroke)，兩次衝擊間隔幾十毫秒(ms)，第一次的衝擊稱為首次擊(First Stroke)，其後稱為續次擊(Subsequent Stroke)。每次衝擊包括步階放電(Stepped Leader)和回擊(Return Stroke)兩個程序。參考 圖2雷雲對地放電程序，說明首次擊的特性 : 首次擊通常分枝形成樹枝狀的步階放電，並向大地導引。樹枝狀步階放電的前進速度為1.0x105~2.6x106m/sec。

圖2、雷雲對地放電的程序(圖內僅示兩次衝擊)

換言之，每次步階放電時間約為1usec，前進約數十公尺，脈衝電流約為1KA以上，步階放電的間隔時間約20usec~50usec；多次步階放電形成導電路徑，逐將負電荷導向大地。此向下移動的負電荷亦對應產生向上移動的正電荷。此向上發展的樹枝狀正電荷與向下發展的樹枝狀負電荷，在二者的移動路徑相遇處相互放電，而致中和正、負電荷。一旦雲對地的路徑連通，地表的正電荷遂沿步階放電路徑衝向雲層，稱為回擊。

2.2 曝雷天數(IKL)與落雷密度

雷擊防護設計需以曝雷天數與落雷密度資料為基礎，曝雷天數為每年該區域落雷天數；落雷密度為每年/每平方公里的落雷次數，前者係屬長期觀察的統計結果，並不需要科學儀器；但是落雷密度的統計則須依靠觀測儀器。台灣於1980年代起裝設落雷分佈觀測系統，自此始有高可信度的資料進行統計，圖3即為台灣曝雷天數&落雷密度統計資料。以新竹科學園區為例：曝雷天數約為40天~50天；落雷密度約為1.0~1.5次/每年/每平方公里。

圖3、台灣曝雷天數&落雷密度統計

2.3 接地的定義

接地系統依不同目的，有不同的設計^[4]，如安全需求或是電路安定等。依功能性而言，常見接地有電力系統接地、設備接地、避雷系統接地及電子系統接地等。

為使大量異常突波電流，如雷擊突波、電力系統故障等產生之異常突波電流，能透過接地系統迅速洩放，通常接地系統的接地阻抗設計必須愈低愈好；愈小的接地阻抗，所引起的大地電位湧升也就愈低，對系統或設備的影響愈小。現行規範皆以接地電阻值來判斷接地系統的好壞，理想值應為零。常見接地說明如下：

1. 電力系統接地：當電力系統的其中一點與大地(通常定義為0V)相接，造成該點與大地同為0V，稱為系統接地，用來連接地的那條線稱為地線。
2. 設備接地：設備接地是把金屬機殼用導線與大地相接，這條用來接地的導線也稱為接地線，金屬機殼一般不會有電，萬一設備內部的電壓不小心與金屬機殼觸碰到，就能靠接地線迅速把電流(又稱故障電流fault current)導入大地，由於電壓很接近0V，可以避免人員觸電危險。
3. 避雷系統接地^[4]：避雷系統接地是專屬避雷針所使用，透過導線將避雷設備與接地極連結，主要目的即是提供雷電流洩放路徑，並且能緩和雷電流所造成電位昇，保護人員與設備不受雷擊影響。
4. 電子系統接地：在電子電路中，地線是作為電位的參考點，提供電子電路一個基準電位。通常此地線不是真正與大地相連，其電位也與大地電位無關。整個電路在設計時，以地線電壓為0V，藉以統一整個電路電位。

研究分析/方法討論

3.1 雷擊突波來源-直接雷擊突波

落雷有可能直擊在建築物本體、建築物避雷針或其他設備上。當雷擊電流沿著建築物上的接地路徑導入大地時，會造成建築物內設備箱體的對大地電位產生電位差，稱為地電位升(Ground Potential Rise, GPR)，如式(1)。

GPR = I • Re ..........(1)

I : 雷電流；Re : 接地電阻；GPR : 地電位上昇

由於設備接地係為保護設備操作員而設計，遂採就近接地方式；但電源的系統接地則係在變電站內接地，二者非屬同一個接地點，當地網或建築物地電位昇的瞬間，兩者接地點之間遂有地電位差(Ground Potential Difference, GPD)；擴大電源導線與設備機殼之間的電位差，此GPD引入至設備，破壞設備絕緣。若落雷擊中鄰近的樹木，亦會造成設備箱體的地電位提昇，或電源線與設備箱體之間的地電位差，破壞電機、電子等設備的絕緣。參考 圖4為直接雷擊突波產生GPR，致使電源線與設備箱體之間有GPD，造成損害。

圖4、直接雷擊突波造成地電位升示意圖

3.2 雷擊突波來源-來自電源的雷突波

參考 圖5電源端雷突波示意圖；如果落雷擊中變電所，雷電流會流經變電所的接地網，造成地電位昇，電源線裡的接地線其電位亦會上昇，如此在用戶端的電源接地線和設備箱體之間遂存有電位差，可能造成電源線對廠房或屋內設備箱體的絕緣破壞。若落雷擊中輸電線路的架空地線，則架空接地線的電位會上昇，因此電源接地線和設備箱體、器具之間亦出現異常電位差，造成電源對廠房、屋內設備箱體間的絕緣破壞。

圖5、來自電源端雷突波示意圖圖

3.3 半導體廠接地設計-台積公司為例

由式(1)得知，雷擊產生的電位差是影響系統的關鍵，期望值越小越好；換句話說，接地電阻Re越小越好。為達到此目的，台積公司所設計興建的廠區，皆是以大地網的結構完成，主要目的就是要降底接地電阻。如 圖6所示，台積公司以大地網接地結構，外加一圈避雷接地，用以降低電擊的傷害。台積公司設計標準避雷接地電阻為<5Ω，優於法規<10Ω之要求。

圖6、大地網接地結構&避雷接地示意圖

3.4 先進封測三廠避雷系統與接地

常見的避雷系統分別為引雷式與消雷式^[5]，雖皆為避雷，但方式卻完全相反，如下理論差異說明。

引雷式避雷針：使用突針原生的高電場引導落雷位置，裝置結構如 圖7。換言之，其作用為「引雷針」，將雷擊能量引至對建築物傷害最小處，一般為接大地，藉此洩放雷電流或突波能量至大地。若避雷針的接地系統不良，雷電流遂分流至其他的路徑，將不利於避雷保護。因此避雷針、下引導體以及接地電極等，都必須具備低電阻抗與良好的搭接，才能有足夠的洩放能力，始能達到避雷的功效。

圖7、引雷式避雷針工作原理

消雷式避雷針^[6][7][8] : 主要是運用接地系統，匯集地表正電荷，經由接地線導體，匯集至為數眾多的消雷針尖端，稱為離子器尖端。如 圖8消雷式避雷針工作原理所示，在大氣中形成正電荷雲，用以中和高空雷雲內的負電荷。換言之，係將直擊雷轉探為感應雷，大幅降低直擊雷對於地面設備的衝擊。

圖8、消雷式避雷針工作原理

台積公司龍潭廠區先進封測三廠(AP3)，為2015接手高通既有廠區，直至5年後的一次感應雷擊，發現避雷系統存在引雷式與消雷式同時存在的矛盾設計。

如 表2所表示，統計台積公司各廠區，只有AP3既引雷又消雷同時存在，需修正AP3消雷式避雷系統，改為引雷式避雷系統，以改善此矛盾設計。

總結

如前述在瞭解雷擊特性、雷突波危害及相關避雷系統後，如何裝置避雷系統達成雷擊防護功能；避雷針搭配接地形成雷擊防護，主要在於避免雷擊電流所造成的GPR，與雷擊何處無關。遂有效的雷擊防護在於兩個重點，一為「避雷型式」，一為「接地阻抗」。如引雷式避雷針加上良好接地，接地阻抗為零，可達到快速洩放雷電流效果，有效的抑制GPR，保護系統。另一型式為消雷式避雷針加上良好接地，能快速中和雷雲中的電荷，防止雷擊。

上述兩種組合，共通點在於良好的接地，以地面建築而言，透過接地井、裸銅線與吸水性被覆土，則可盡量降低接地電阻，如 圖9，建築工程中，常見的接地電阻改善：接地井、裸銅線與吸水性被覆土。相異點在「避雷針」之形式，引雷與消雷形式同時存在，盡管有良好接地，依舊無法防止雷擊。如 圖10常見的引雷式與消雷式的避雷針，系統設計時，需多加注意，勿讓雷擊防護失效，徒勞無功。

圖9、接地井、裸銅線與吸水性被覆土照片說明

圖10、常見引雷針、消雷針