“绝缘避雷”是一种迷信
中国科学院电工研究所 马宏达摘要 讲述了中国古建防雷的技术要点；讨论了现代防雷技术的进步脚步，说明“绝缘避雷”和消雷理论的错误以及系统防雷的思想。
关键词 建筑物防雷 雷电电磁脉冲防护 系统防雷 一，从古代建筑物防雷谈起 我国人民政府对古代建筑物的保护和利用很重视，在王时煦先生的指导下我们曾进行了40余年古建防雷的考察和研究。有故宫博物院防雷研究的基础，我国古建防雷是有章可循的。现在有人倡导“绝缘避雷”，并力图把这种没有科学根据的技术用于古建防雷，所以我们要首先破除“绝缘避雷”的迷信。 我国古代建筑多为砖木结构，它本身具有绝缘的性能，但是这不能阻止古建遭受雷击。大屋顶飞檐结构的宫殿遭受雷击常发生在房角和檐角处，在房角下方的木立柱常被雷击爆裂和烧毁，这处立柱称为“雷公柱”。故宫在历史上曾多次遭受雷击并发生火灾，在解放后故宫开始安装防雷装置，凡装有防雷的建筑物都得到保护，而没有安装防雷的建筑物仍有雷击事故发生。所以故宫博物院决定要在所有重要的房屋上全部安装防雷。故宫采用的防雷装置就是常规的避雷针、避雷带和避雷网，以及常规的引下线和接地体。北京地区的防雷装置通用钢材制造，只有故宫采用铜合金制造，这是为了减少因为腐蚀而翻修的次数；但从减少北京市总体地下钢材的腐蚀效应考虑，我们不提倡普通建筑物也采用铜合金和“铜包钢”的材质做接地体。 我们曾经听说古塔有整体是砖木结构的，也有宝顶（金属体）下有铁链或铁杵接地的。但是我们一直没有见过后者的实证。文[1]称山西省应县木塔有金属塔刹，“塔刹全为铁件制成，中心有铁轴一根，插入梁架之内，周围设8根铁链系紧”。文[1]的情况应查实并测量铁刹的接地电阻与测量铁链间的连接电阻，如合于防雷规范要求可用于内置引下线和接地体。塔顶的易受雷击的部位应装设避雷带，如果内置铁链和铁刹的电阻值不合防雷规范要求则须补做引下线和接地体。 按照古建管理规范，古建内不得引入火种，如电线、煤气管线等；现在多处古建被利用做展览馆，从而引入了各种电气线路（报警、测控、通信和电源等），那就必须做好雷电电磁脉冲防护的工作。 “绝缘避雷”的错误就是它没有考虑大气雷电必须泄放入地的问题。大气物理学家告诉我们：地球上每秒钟大约发生100个闪电，其中约有20%是云向地面输送负电荷的云地闪电，每次云地闪电向地面输送约20-25库仑的负电荷，相当于每次闪电电流约有400安培之多。地球电离层和地面间有300kV的大气电场存在，电离层带正电，地面带负电，闪电就是大气电场的充电机。地球总共带有54万库仑的负电荷，而大气中自上而下流有约1500安培的晴天离子传导电流，此外，还有地面尖端放电电流和降水电流。它们与闪电电流互相平衡，维持地面电荷总量基本不变。人们可以控制地面雷击的部位，但是不能阻止雷电对地的放电。根据闪电总是向电场强度最强的地方发展这一原理，控制物体表面电场分布，使电场强度最大的地方截击雷电；而使电场强度弱的地方免于雷击。避雷针能够截击闪电就是这一原理的运用；“等离子避雷[2]”则是使物体表面电场强度减弱，从而减少雷击的一种举措。“等离子避雷”必须与特定的接闪防雷装置配合才能发挥其保护作用，在这种组合的防雷系统中给下行闪电以特定的安全的入地通道。“等离子避雷”是一种新的预防直接雷击的方法，我们希望它取得进展和成功，任何新事物都要克服许多困难，所以我们当前不宜过早地加以评说。 二，防雷技术进步的脚步 人类了解自然现象本质及其发展变化规律是逐步地和反复地在实践中认识的。事物在不断地发展，人类的认识也随着加深和扩展。在这一演进过程中，人们通过分析和综合把已有的认识“一分为二”，保存合理的部分，淘汰不合实际的部分，去粗取精、去伪存真，从而达到认识的更高的层次。以下是对几项防雷技术的辩证认识分析举例： 1，进线防雷重要性大于直击雷防护
根据雷击事故统计，（80-90）%的雷击事故是由电气线路传导的雷电电磁脉冲造成的，直接雷击事故在雷击事故数目中约占（10-20）% 。因此，我们曾提出雷击事故多发区（包括城乡和农村）的建筑物都应重视做进线的防雷[3]，而不论是否安装直击雷防护装置。任何直击雷防护的方法都不能代替进线的防雷保护，后者现在称为雷电电磁脉冲防护。我国学者开展了消雷器的研究和大讨论，这些资料集中刊登在1996-1967年电网技术杂志上。迄今为止，理论和实践未能证明消雷器和其他市场上出售的各种非常规防直击雷产品具有比常规防直击雷装置更优越的性能。“等离子避雷”对于雷电电磁脉冲也没有保护效果。从系统防雷的观点看来，雷电电磁脉冲的防护是现代建筑物防雷研究和发展的重点。传统常规的建筑物防雷经验成熟，投资少，可靠性高，它们都要配合雷电电磁脉冲防护才能构成完善的防雷系统。某些非常规直接雷击防雷技术的宣传中常以兼有防雷电电磁脉冲的性能说事，这是没有科学根据的。 2，对避雷针防雷性能的辩证认识
上世纪50年代我国按前苏联的防雷资料设计建筑物的防雷，结果在房屋上树立了许多长支避雷针。它与我国的建筑风格很不不协调，远看到处是变电所和危险品仓库。我们通过雷击事故调查和建筑物模拟雷击实验，提出了建筑物雷击规律和简易建筑物防雷设计方案，即避雷带和避雷网的设计原则[3]。这些研究成果都已写入我国自订的建筑物防雷设计规范之中，从上世纪60年代以后城市建筑物上已经很少再看到长支避雷针了。但是在电力系统的构筑物中依然广泛使用避雷针防雷，这是由于客观需要和实践经验证明它满足防雷需要。当避雷针通过雷电流时其附近的电磁感应效应特强，还有接触电压和跨步电压危险等问题。这些问题要在雷电电磁脉冲防护中给予特别地关注和合理地解决。 3，对接地装置防雷性能的辩证认识
现代防雷的接地不只要求一定的接地电阻值，更要求接地装置的结构合理：环形接地网要埋地敷设，地上的PE环线不能代替接地网；埋地屏蔽铁管要与接地网相连，接地网和屏蔽铁管能发挥三维的散流作用。接地装置的合理结构能保证在雷击时建筑物的地电位整体浮动，并将其外传的过电压限制在几十米的范围内。建筑物的电气线路有“电磁封锁”屏蔽的条件下，上述合理的接地网可以不限定其接地电阻值。建筑物内的电子系统接地的稳定问题要靠正确的电磁兼容设计和施工来保证，其关键点是要使电子地的连线上的电流为零。做接地技术和测量工作要有坚实的物理和实践基础。有人把防雷接地问题说得太难，甚至怀疑防雷接地的基本概念[4]。实际上广大城乡中的接地工程并不难做，充分利用自然接地（如自来水管和基础接地体等）建筑物的防雷接地容易达到防雷规范的要求；个别山地的防雷接地电阻值确实难于达到规范的要求，也很难测准。这些问题有资质、有经验的专家学者都能研究解决，正是会者不难，难者不会，我们不要把现实的工程问题复杂化。 三，不能混淆雷击选择性规律实验与物体雷击模拟实验 主张“绝缘避雷”的学者提示我们，并排两个的秆子放在模拟雷电先导下进行放电实验，雷击总是击中金属秆子；而不对绝缘秆子放电。他们称这就是“绝缘避雷”原理的证明。这种认识是错误的，这个实验是雷击选择性规律的实验，而不是物体雷击模拟的实验（即不是“绝缘避雷”原理的实验）。“绝缘避雷”的实验应该把雷击脉冲电压直接连接在绝缘物上。这种绝缘物的脉冲放电实验是我们取得绝缘物安全隔离距离数据的重要手段。高电压学者对于这种实验应该很熟悉。那种混淆雷击选择性规律实验与物体雷击模拟实验的认识犯了偷换概念的错误。 四，气体放电特性的启示
文[4]对山西省应县木塔铁刹的描述与文[1]不同，称该铁刹“对地是绝缘良好的”，“2002年9月7日夜，有目击者见到应县木塔顶发生火光，……当时木塔曾遭受雷击”。文[4]宣称“辉光的出现是由于铁刹在雷雨云电场的作用下，必出现感应电荷，感应电荷产生的反向电场抵消了雷雨云电荷产生的外电场，……雷雨云出现下行先导之前，表明它的电场强度小于空气的击穿强度，则铁杆上、下端的感应电荷所产生的电场更小于空气的击穿场强，因此金属杆尖端不可能发生火花放电，只能是辉光放电” 。然而，该文没有说明“雷雨云出现下行先导之后”铁杆上、下端的电场情况。当下行先导向下发展到一定高度时，铁杆的两端必然产生火花放电，进而产生弧光放电。须知雷电流的脉冲幅值与接地电阻无关，它决定于雷雨云云体带电量的大小。内陆热雷云的带电量小于沿海锋面雷云的带电量，所以我国内陆地区的雷电流小于沿海地区的雷电流。雷电流的脉冲幅值决定于雷电先导流注中储存的电荷量，当辉光放电电流增加到临界值就转入弧光放电，随后，电弧径向收缩，弧道中的温度迅速地提高，其纵向电弧电压降（即电位梯度）迅速降低，电流值迅速提高达到雷电流的幅值，这就是主放电的过程。 “建筑物能否落雷取决于其是否接地，而落地雷电流的大小又与接地的良好程度成正相关”[4] 。这些错误的论断正是消雷学派的迷茫的根源。我们说，闪电是电流源，雷电流的大小与接地电阻无关，一些习惯于电压源的学者对这个观点总是不能理解。这个物理概念确实不好建立，笔者不得不再罗嗦几句。雷电流的脉冲波决定于雷电先导流注中储存的电荷量，这些电荷量在主放电过程中变为雷电流，它的大小与接地电阻无关。地面落雷点的位置决定于下行先导的走向和地面导电率的大小，即决定于地面电场强度最大的地方。山西省应县木塔铁刹如果“对地是绝缘的”，那么雷击时必然发生事故；没有破坏性事故发生说明，还未曾有过直接雷击的事故。与富兰克林同时代做避雷针实验的黎赫曼，他就因为避雷针没有接地、对地绝缘，而被雷电击毙。农民扛着锄头在雷雨中行走被雷击事故多发，就已经说明“绝缘避雷”的理论不对，这类的事件都可以用模拟雷击实验表演。中国科技管绝缘台的充电表演只是说，绝缘耐受高电压，然而这种高电压是设计好了的，在安全范围以内，它不是雷击的高电压。文[4]的这个举例又是一种偷换概念的表现。 五，结论
1，“绝缘避雷”不是科学的理论，而是引起误导的迷信说法；
2，我国古代建筑物的防雷已经有章可循，就是安装常规的防雷装置；
3，电气线路进线的防雷（雷电电磁脉冲的防护）与直击雷防护同样重要，任何直击雷防护的装置都不能代替和兼管雷电电磁脉冲的防护。 参考文献
[1]游雪晴，千年木塔应装避雷针吗？CHINA防雷，2004年第5期，第49页；
[2]庄洪春等，等离子避雷球技术，雷电防护与标准化，2004年第3期第22-27页；
[3]王时煦，马宏达，陈首新，〈建筑物防雷设计〉（第二版），中国建筑工业出版社，1985年11月；
[4]虞 昊，“接地电阻”的定义科学?吗，CHINA防雷，2004年第4期，第68页。
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发表于 2005-5-17 18:20:00
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发表于 2005-5-17 18:34:00
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