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高山地區電氣設施如何防範雷雲電荷放電干擾 作者：道儀突波干擾對策科技有限公司總經理 廖順安 論文收藏:http://WWW.surgeLED.com/技術論壇/

Email: Liao.justice@gmail.com 聯絡電話：+886 935592841

一、前言

雷雲發展與消散過程在本公司網站商品網頁上已經詳細描述，本

文主要是詮釋高山特殊地區四種雷雲電荷放電現象；並對於在此地區

的電氣設施如何防範進行分析與建議。

二、四種雷雲電荷放電型態

雷雲發展過程進入成熟期時，此時面積範圍通常是數 10 平方公

里，雷雲隨著雷雨包(storm cell)發展到最高潮，雷雲內冰晶數量也飽

和狀態。當雷雲後度達到 5,000 公尺以上，則冰晶除了水平之間激烈

摩擦，又增加垂直間激烈摩擦，使電荷放電而達到最激烈狀態。冰晶

本身帶負電荷，又受到重力影響，所以雷雲下層通常會累積大量負電

荷；也造成雷雲上層感應大量正電荷。因為冰晶垂直間激烈摩擦，導

致雷雲下層也有機會累積大量正電荷，雷雲上層也有機會感應大量負

電荷。

當雷雲電荷對地放電(即俗稱的下行雷 Downward lightning)，如

圖 1；而雷雲正電荷對地放電(即俗稱的正雷)，雷雲負電荷對地放電

(即俗稱的正雷)。所以下行雷包括正雷與負雷兩種型態。當地面所累

積的電荷朝向雷雲放電(即俗稱的上行雷 upward lightning)，如圖 2；

而地面所累積的是正電荷朝向雷雲放電稱為正雷，地面所累積的是負

電荷朝向雷雲放電稱為負雷。所以上行雷也包括正雷與負雷兩種型

態，如表 1。上行雷與下行雷之比例與正雷與負雷之比例，隨著地形

環境有所不同，有很大差異。閃電偵測系統 (Lightning Detection

System;)，應用特殊天線偵測閃電發生時的瞬間磁場訊號，可以偵測

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閃電位置、正雷、負雷與電荷量等參數，但雷雲電荷對地放電與地面

電荷朝向雷雲放電則無法判斷。依據台灣閃電偵測系統資料分析，台

灣地區正雷與負雷發生比例大約是 1:10。

圖 1；雷雲電荷對地放電(下行雷)。圖片來源：網路閃電圖檔。

圖 2；地面所累積的電荷朝向雷雲放電(上行雷)。圖片來源：網路閃電圖檔。

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表 1：四種雷雲電荷放電型態

正雷 負雷

上行雷 地面的正電荷對雷雲放電 地面的負電荷對雷雲放電

下行雷 雷雲的正電荷對地放電 雷雲的負電荷對地放電

雷雲成熟期，雷雲電荷放電而達到最激烈狀態；並開始開始出現

如圖 1 所示的多次雷雲電荷對地放電 (下行雷 )-多重雷擊 (multi

stroke)，將導致大量電荷瞬間注入大地。圖 3 是直接雷擊-大量電荷

瞬間注入一般泥土地面所形成的後續電荷的移動路徑。因泥土的成份

是不均勻分佈，並且電荷是朝電場強度密集的空間移動，所以電荷的

移動路徑呈現樹枝狀分佈。

圖 3 的 A 點是直接雷擊-大量電荷瞬間注入點；其它由 A 點釋放

的電荷移動路徑，分別由路徑 B、路徑 C、路徑 D、路徑 E 等代表(電

荷移動路徑是一種傳導性雷擊突波干擾)。只要電荷移動路徑上有接

地的電氣設施存在，電荷由接地導體瞬間注入電氣設施，當電氣設施

無法承受此大量電荷衝擊就會故障。

雷雲電荷對地放電後，電荷移動路徑朝向電場強度密集的空間移

動，因此電氣設施處於加工作電源(powered)所呈現的電場強度比不

加工作電源(unpowered)的強很多，故容易引導電荷由接地導體瞬間

注入電氣設施。許多電氣設施要求低接地阻抗，但當電荷由接地導體

瞬間注入時，所造成的傷害更大。

高山地區的電氣設施如果沒有能力處理從接地導體入侵的瞬間

巨量電荷，又無經費；在雷雲發展過程進入成熟期之前，將電源與接

地線移除，是可行的電氣設施保護方法。

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三、高山地區電氣設施如何防範電荷衝擊

雷雲累積大量電荷時，地面也因感應而累積大量相反極性電荷；

如果雷雲電荷先發生步進導流(step leader)，增長後與地面累積大量

電荷所形成步進導流連接，就形成下行雷。反之，地面累積大量電荷

發生步進導流，增長後與雷雲電荷所發生步進導流連接，就形成上行

雷。

A 點:直接雷擊-大量電荷瞬間注入點。B、C、D、E 等代表電荷移動經過之路徑 路徑 B 有電氣設施 1，路徑 E 有電氣設施 2，容易發生干擾現象 電氣設施 3 與電氣設施 4，沒有電荷移動之路徑則不受影響

圖 3：單次直接雷擊-大量電荷瞬間注入泥土地面所形成的樹枝狀路徑。

雷雲因冰晶激烈摩擦，所以電荷累積速度，通常比地面電荷累積

速度快；因此下行雷發生次數一定高於上行雷。雖地面累積大量電

荷，但沒有尖端放電效應，上行雷不容易發生。地面電荷累積並能發

生尖端放電效應，不外高山地區或平地上突然高起之建築物。圖 4 是

典型地面電荷累積後經由高塔釋放電荷，產生步進導流，形成上行

雷。上行雷發生過程，地面所累積的巨量電荷瞬間集中，在此路徑上

的電氣設施所受的衝擊最為嚴重，因此山地區電氣設施發生上行雷的

A

B

D C

E 4

2

1

3

5

雷擊事故，損失都很慘重。

4-1：地面電荷累積後經由高塔產生步進導流。

4-2：地面電荷步進導流增長。

4-3：地面電荷步進導流持續增長。

4-4：地面電荷步進導流與雷雲電荷步進導流連接。

圖 4：地面電荷累積，經由高塔釋放電荷，形成上行雷。

依據電工法規之規定，台電線路與用戶進屋線位置，為用電責任

分界點，此位置必須裝設避雷器，因此台電的供電線路已經裝設並聯

式避雷器，所以用戶為電氣設施電源端再加裝並聯式避雷器，是多此

一舉。偏偏有許多用戶在電氣設施電源端加裝並聯式避雷器，圖 5 是

某山區用戶電氣設施建置環境與裝設多只 100kA 等級並聯式避雷器

相片，結果是電氣設施依然故障頻傳。

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圖 5-1：由台電供應電的三相電源(1)

圖 5-2：由台電供應電的三相電源(2)

圖 5-3：裝設 6 只 100kA 的避雷器

圖 5-4：山區高塔上行雷條件之一

圖 5：某山區用戶電氣設施建置環境與裝設多只 100kA等級並聯式避雷器相片。

高山地區的電氣設施在雷雲發展過程進入成熟期之前；將電源與

接地線移除，是可行的電氣設施保護方法。條件是需要有人去執行。

如果必須連續操作高山地區的電氣設施，無法執行將電源與接地線移

除工作，可以增加「突波能量吸收轉換成電壓裝置」surge energy

absorbed and transferred to voltage devices，處理從接地導體入侵

的瞬間巨量電荷；以保護電氣設施。

突波能量吸收轉換成裝置是一種瞬間巨量電荷處理裝置。從接地

導體入侵的瞬間巨量電荷，應用 Q=CV 公式，以式(1)表示 Q 所呈現

的能量。能量 EQ轉換成電壓是無庸置疑。我們所感興趣的是 EQ轉換

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成的電壓與電氣設施 AC 電壓之間的關係。另外 Q=I X t，所以 Q轉

換成的電流與負載電流之間的關係也是我們所感興趣的。

EQ =1/2 CV2

=1/2 QV 式(1)

本文所要談的是高山地區或高塔中電氣設施如何防範雷雲電荷

放電干擾，瞬間巨量電荷處理裝置結構與原理技術機密，不在此論

述；但瞬間巨量電荷處理的效能與結果，可用圖 5 波形說明。圖 5

是以輸出能量為 500J 的突波產生器輸出 1.2x50µs,10kV、

8x20µs,5kA 的組合突波對於施加工作電源的一般筆記型電腦，由電

源接地導體注入後，量測波形。以 Q=CV 換算，得到從接地導體入

侵的瞬間電荷量為 0.1庫倫( C )。

以 0.1C 電荷注入點做為分界點，分界點左邊因負載諧波電流使

AC 呈現非標準正弦波。在界點右邊因能量吸收轉換成電壓，2-3週

期內(黃色虛線波形)所轉換的電壓重疊在AC波形上(此時諧波電流也

消失)，使峰值電壓略為提升。待能量吸收轉換完成後，AC 電壓波形

恢復成為非標準正弦波；而負載諧波電流又出現。

突波能量吸收轉換成電壓裝置，吸收能量轉換成電壓後，重疊在

AC 波形的幅度與週期會隨電荷量而變化；電荷量愈多則重疊在 AC

波形的幅度與週期會隨之增加，並且電壓最高幅度是可以設定在某一

範圍。高山地區電氣設施發生上行雷的雷擊事故都很嚴重，此肇因於

山區地面累積的巨量電荷瞬間衝擊所致。採用容量更大的突波能量吸

收轉換成電壓裝置是可行的解決方法。

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以 0.1C 電荷注入點做為分界點，分界點左邊因負載諧波電流使 AC 電壓波形非標準正弦波。在界點右邊因能量吸收轉換成電壓，2-3 週期內(黃色虛線波形)所轉換的電壓重疊在 AC 波形上(此時諧波電流也消失)，使峰值電壓略為提升。待能量吸收轉換完成後，AC 電壓波形恢復成為非標準正弦波，諧波電流又出現。

圖 5：突波能量轉換成電壓波形量測。

四、結論

當雷雲電荷對地放電，俗稱的下行雷；而雷雲正電荷對地放電稱

為正雷，雷雲負電荷對地放電稱為的正雷。當地面所累積的電荷朝向

雷雲放電，俗稱的上行雷；地面所累積的是正電荷朝向雷雲放電稱為

正雷，地面所累積的是負電荷朝向雷雲放電稱為負雷。依據台灣閃電

偵測系統資料分析，台灣地區正雷與負雷發生比例大約是 1:10。而

閃電偵測系統無法判斷所偵測的閃電是雷雲電荷對地放電獲釋地面

電荷朝向雷雲放電。

直接雷擊-大量電荷瞬間注入釋放的電荷移動路徑，是一種傳導

性雷擊突波干擾。只要電荷移動路徑上有接地的電氣設施存在，電荷

由接地導體瞬間注入電氣設施，當電氣設施無法承受此大量電荷衝擊

0.1C 電荷電荷電荷電荷注入點為分界注入點為分界注入點為分界注入點為分界

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就會故障。電氣設施處於加工作電源所呈現的電場強度比不加工作電

源的強很多，故容易引導電荷由接地導體瞬間注入電氣設施。高山地

區的電氣設施如果沒有能力處理從接地導體入侵的瞬間巨量電荷，又

無經費；在雷雲發展過程進入成熟期之前，將電源與接地線移除，是

可行的電氣設施保護方法。

依據電工法規之規定，台電線路與用戶進屋線位置，為用電責任分界

點，此位置必須裝設避雷器，因此台電的供電線路已經裝設並聯式避

雷器，所以用戶為電氣設施電源端再加裝並聯式避雷器，是多此一

舉。如果必須連續操作高山地區的電氣設施，無法執行將電源與接地

線移除工作，可以增加「突波能量吸收轉換成電壓裝置」，處理從接

地導體入侵的瞬間巨量電荷；以保護電氣設施。

突波能量吸收轉換成電壓裝置，吸收能量轉換成電壓後，重疊在

AC 波形的幅度與週期會隨電荷量而變化；電荷量愈多則重疊在 AC

波形的幅度與週期會隨之增加，並且電壓最高幅度是可以設定在某一

範圍。高山地區電氣設施發生上行雷的雷擊事故都很嚴重，此肇因於

山區地面累積的巨量電荷瞬間衝擊所致。採用容量更大的突波能量吸

收轉換成電壓裝置是可行的解決方法。