“接地电阻”不可测，应予废除
清华大学物理系 虞 昊中国防雷2005.3
摘 要：本文探讨了“接地电阻”名称的来源，用科学方法论评审其定义的缺陷。实践表明，这个物理量是不可能获得确定值的，在工程技术上采用它，既无科学根据又造成极大损失及危害，应该予以废弃。
关键词：接地电阻 欧姆定律 科学试验
接地电阻测量是防雷工程检测中最基础最核心的内容但不同仪表测得的阻值差异很大[1]10年来笔者查阅了众多的讲授接地的书刊文章，才发现已使用百年的“接地电阻”这个物理量本身存在学术上的严重错误! 1 “接地电阻”名称的探讨
“接地电阻”这个名称起源于电阻。电阻有很多种，如欧姆电阻、半导体电阻、漏电阻……等等，为此需先追溯“电阻”名称的由来。电阻，它是与欧姆定律同时出现的，欧姆定律的表示式为U／I=R，是以金属导线作导电材料进行实验研究而得出的结果。在给定温度下，R是不随电压U与电流强度I而变的恒量，只与材料的性质、长度及截面积有关，欧姆把这个比例常数称为电阻。这就是电阻名称的起源。
欧姆定律适用的范围是金属材料，它表述的是电路中电压与电流之间恒成正比这个关系。如果把上述公式作为物理量电阻的定义，R就不一定是恒量了，可以随U或I而变，R是I的函数，甚至可以是非常复杂的函数，半导体、气体、晶体等大都如此。但不管函数多么复杂，这样定义的物理量总能准确测定，不因人而异，所以这个定义是科学的。
但是由此派生出来的名词就不一定了，有的可以准确测定，没有人为的任意性，有的则完全不合平科学准则，有极大的人为任意性，最突出的就是接地电阻。
不妨查阅《英汉物理学词汇》，这是陆学善、龚祖同、张文裕、何泽慧……等中科院著名资深院土编译的，审定人是以严谨闻名的资深院土王竹溪，他是诺贝尔物理奖获得者——杨振宁在西南联大作研究生时的导师。此书有“接地”、”接地线”、”接地电极”等名词，也有“漏电阻”、“接触电阻”等名词。唯独没编入“接地电阻”这个名词[2]。为什么?
再查看一些有声誉的著作中接地电阻的定义吧。《辞海》[3]的定义是：“接地体对地电阻和接地引线电阻的总和，数值上等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值。”这个定义在用词上比较谨慎，与电阻的定义紧密衔接，但是实践上难以操作，回避了测量上的疑难问题。
某著名重点大学出版的专业教科书这样写道：“人们把接地点电位U与接地电流I的比值定义为接地电阻R，R=U／I”[4]它几乎与电阻的定义相似，却用辞不慎，基础物理概念上出现混淆，U本来用于表征电压，即电位差，这里却说成电位了。
最近全国雷电防护标准化技术委员会制订《信息系统雷电防护术语》国家标准，广泛收集世界各国的术语，经过比较后，提出了一个草案，对接地电阻(ground resistance)采用的定义是：“接地极与零的远方接地极之间欧姆定律电阻。”(见文献[5]的附录3)从措辞上看似乎比上两定义更严谨，但没有可操作性，不科学。
2001年8月，科学出版社翻译出版了日本的专著《接地技术与接地系统》[6]，可以说是这方面科技专著中比较严谨详尽的。定义比较接近可操作性：“当一个接地电极，以接地电流I通入这个电极，电极的电位就比接地电流流入前的电位升高U。就把U／I作为那个接地电极的接地电阻。”也就是R(Ω)=U(V)／I(A)。作者在给出这个定义时还带有两个附加条件，指出测量时若不注意这些附加条件，测量就欠准确了。可是实际测量却不可能满足附加条件。
2 用科学方法论审查“接地电阻”的定义
科学上的理论、概念、定义都须经科学方法论的审查。李政道博土曾说：“我们没有什么发明，就是通过实验得出结果，通过结果求得了解，又想能不能另外做一些新的实验来校正原来的想法，实验的结果又修改想法，反复不断地进行。从实验开始，引出理论，进行解释和猜想，又进行实验。”精辟地把科学方法论表述出来。科学理论是客观世界规律的近似反映，只能通过科学实验发现它，凭头脑发明的思维只不过是唯意志论者的幻想，必在实践中碰壁。大学物理强调科学实验的重要性，就是强化科学的作风。任何一种科学实验必须明确提供实验所用的仪器、实验原理、方法及步骤，让任何人都可以重复这个实验并测得相同的数据结果(在允许的实验误差范围内)。这种不因人而异的测量结果的可重复性是科学实验的最重要标志。
下面就来探讨“接地电阻”这个被工程界沿用百年之久的物理量。10多年前已有些防雷界人土发现：用不同的仪器测同一建筑的接地电阻，可以得出很不相同的测量值。2002年黑龙江省防雷中心关屹瀛等6名负责防雷检测的技术干部用一台从日本进口的高级地阻测试仪对选定的一个建筑物地网进行28次测量，测得的读数共有14种：0.7Ω、0.8Ω、……32Ω、100Ω，测得的最小值为0.7Ω，最大值为100Ω，两者相差达160倍!从这一实例可见，即使用同一个仪器对接地电阻这个物理量进行测定，也可以测得许多千变万化、差异极大的值。
但是，把各种类型、品牌的地阻测试仪交到计量部门用来测定标准电阻箱的电阻，则无不显示极好的重复性，仪表读数与电阻箱的示值相同，因而均可以获得合格证书。由此可见，众多防雷专家在测接地电阻时发生困惑的根本原因是：“接地电阻”这个物理量的定义违反科学准则，必须废弃！世界各国包括中国在内所制订的防雷标准都把这个物理量的测定作为防雷安全的重要基础，许多电工与电力专业教科书还列出形形色色接地电阻的计算公式供安全用电和防雷工程作理论和测量基础。防雷主管机构在执法时，主要的检测工作就是测接地电阻。为何竟没有发现这个问题，或发现了而不解决?
3 用物理学分析这个问题的根源
不少工程技术人员习惯于查手册中现成的公式进行计算和设计，不少专业教科书常列出各种接地极的接地电阻计算公式，没有说明它们的来源和证明，学生知其然而无法知其所以然。对有关部门来说，一旦出现灾害事故，反正有各种工程标准作*山，只要按它的要求办，不必承担任何责任。各种工程手册和专业教科书中的公式是否合手科学，对学生而言也是无关紧要，见怪不怪，相安无事，“书上说的应该没错，错了也是老师的事情”。接地电阻概念的违反科学，就是这样以讹传讹，慢慢延续下来的。
关于接地电阻的书本介绍，最初来自于中科院资深院士毕德显编写的教科书《电磁场理论》，此书得到曾任老清华大学物理系主任、新清华大学无线电的创建人孟昭英院土的审阅并作序。书中第四章讲，恒定电流的电场，其第6节讲恒定电场与静电场的比较，扼要地指出：这两种场的基本方程是相似的，只要把电流密度矢量J与电位移矢量D，电导率γ与介电常数ε相互置换，一个场的基本方程就变为另一个场的基本方程了。因此可以利用静电学来计算各种形状导体接地极的接地电阻的公式，并在第7节举例说明。可以说，各种工程书引用的接地电阻计算公式基本上都起源于此。但是这些讨论接地电阻的文章均犯了一个科学方法论的大忌：忽视了他们使用的物理学定律和公式所适用的范围!毕德显在第6节之前己多处谈到恒定电场基本方程适用的范围，绝不容忽视。例如介绍欧姆定律的微分形式J=γE之后就立刻指出：运流电流不服从欧姆定律，此时J的方向与运动电荷的速度方向相同。又如在载流导体的表面处，面电流J表≠γE，并强调：“在这一点上，恒定电流与静电场有更本的区别！”。
但该书有一个大疏忽，只举了一个极简单的深埋于地下的金属圆球电极作为计算机接地电阻的例子，把均匀土壤视作遵守欧姆定律的导体，还假定电流流向无限远，这一来可以近似地认定J与E的方向处处相同，因此球电极与无限远处的电位差可借用静电场的公式。实际上，大地中的电流线与这种纯粹假象的理想化的电流分布有很大诧异，因此借用静电场公式求接地极的电压的做法毫无理论根据。其次，测接地电阻时，虽测电流是从接地极通入土壤分布形状与这个钎的位置紧密相关，钎插入土壤的深浅稍有变化就会引起电流线显著变化。这可以从关屹瀛等6人的数据中察觉也来。此外测电位差的电表的另一个测量钎也是任意可变的，所以测得的电压值U很不确定，因此U／I这个比值就变化莫测了！
4 防雷标准强调接地电阻的原因
这是以“路”的概念思考闪电规律的传统防雷思想的必然结果。电磁现象并不是任何场合都可以用“路”的概念解释的。过去从“路”的概念看，闪电现象被等效为似稳电路，闪电被视作局限于管中的水流，在云对地的高压下流入大地，大地被视作电路中遵守欧姆定律的一个电阻，可以用接地电阻R地表征，落地雷的能量只局限在电流通道管内，也就是富兰克林避雷针、引下线及接地电阻内。闪电所产生的高压等于闪电流与接地电阻的乘积IR地，能量就是I2R地。由于I非常大，常达104A以上。所以降低R地成为防雷安全的最重要措施。上述这种想法是没有科学根据的，它没有得到任何科学实验验证。中学生没有数理基础，才采用以水流作类比的方式介绍电压和电流。而自然界的电磁现象应该用麦克斯韦电磁场理论来阐释，它是得到科学实验确证的。雷电流的流动并不是*什么压力从云中流向大地，而是由于电场的作用造成空气的击穿而形成电流，闪电流的运动方向及其强弱完全决定于大气电场，而电场强度是可以用仪器测定的。此外电场的时间变化率也是电流的一部分，称之为位移电流，它与运动电荷所形成的传导电荷合在一起称之为全电流，闪电的磁场由全电流决定。在闪电过程中，电磁场发生迅速变化，闪电的能量充满整个大气的三维空间，并且向远处辐射各种频率的脉冲电磁波，因此造成IT设备的种种灾害。
“路”的概念不可能解释复杂的闪电现象，反而导致种种花钱买雷灾的后果。北大原物理系主任赵凯华写的电磁学教科书指出：“在各个波段里，无论实验技术和理论上处理问题的方法，都有较大的差别。……微波波段、似稳电路的成立条件彻底破坏，‘电路’的概念完全由‘电磁场’的概念所取代，处理问题必须从场的方程------麦克斯韦方程出发。”[11]闪电是速变电磁现象，包含有从极低频——直到比微波频率高得多的频率成分。现今的IT技术所使用的频率己达到微波，而世界各国包括中国在内的防雷标准却仍使用“路”的概念来处理IT的防雷问题。最突出的就是“接地电阻”这个物理量的使用！不但在科学方法论上非常荒唐，而且处处与观察到的实际现象矛盾。例如，按照接地工程专家的想法，落地雷电流必从接地极进入地下深处，沿半径辐射方向均匀流向无限远。他们计算出的各种接地极公式就是立足于这个假设。实际的闪电有高频成分，而高频电流必有趋肤效应，若认定大地为导体，则雷电流就必沿地表面流动，特别是在下雷雨时刻，地面被雨水覆盖，情况将更加复杂不定。笔者曾发表过一张美国人拍到的闪电照片，是地表面被雷电流灼裂的花纹[12]。从花纹即可以看出，雷电流不是均匀地流入土壤深处，而是 不均匀地分布在地表面！
5 防雷技术无需“接地电阻”这个不科学的物理量
取消“接地电阻”这个物理量，现行所有的各种防雷标准均无法使用，但是防雷安全却可以立足于更可信赖的科技上，并且早已为实践的历史所证明，在这方面，物理学工作者作出了很大贡献。
众所周知，避雷针接闪时产生的二次雷击对IT设备有极大危害！
最近几年，著名物理学家、台湾大学物理系主作林清凉博士与中科院著名物理学史研究员戴念祖编写了五巨册大学物理教科书[13][14]，把中国古代大量的科技成就融入到物理内容中，该书与国内现有的课本最显著的差异是非常重视物理思想及科学方法论，为各种专业大学生的创造能力打下了很好的科学基础。第二巨册专讲电磁学，书中详细介绍了我国古代有关电磁现象的科技发现和发明史，并与现代科技联系起来，古为今用，非常有价值。其中关于防雷科技部分，更是让国内、国际防雷界大开眼界。自然灾害常常是突发性的，研究它的规律比较困难，需要借助于历史遗迹及史料记载。年代越久，概率统计越可信。书上引用大量可*的史料表明：中国从公元一世纪起已有两种截然相反的建筑防雷技术：第一种是与富兰克林的避雷针类似的引雷入地。许多宫殿建筑采用，而今已毁损无存。第二种是拒雷，最明显的是已保存近1000年而完好无损的山西应县木塔。林、戴两位物理学家进行科学考察之后，发现塔的地基绝缘良好，将其称之为“绝缘避雷技术”这可以用“场”的概念清楚地阐明。2003年笔者在首届亚洲防雷论坛上介绍这一防雷技术后[15]，引起越来越多防雷专家的共鸣。2004年有一批专家在宁波郊区的天童寺考察，发现它也有拒雷作用。因其近旁一个装有避雷针、避雷器等防雷设备的建筑被落地雷击毁，而这个面积达40000m2的庞大木建筑群却完好地保存了超过1700年。作者赶去考察，看到全部地面用绝缘良好的花岗岩厚石板砌成，有极好的地下排水系统，与应县木塔的“绝缘避雷技术”完全相同。
那么，用电安全需要接地吗?中国科技馆有一个很好的物理演示实验作出了回答：一个女孩手触40万伏高电压的球形电极，长发飘起，安然无恙，但是她脚下接触的是绝缘的基座。笔者写的《电、静电、雷电防护》一书刊有此实验的照片及其物理学说明[16]。
许多年来，电信、电力和防雷等工程技术领域把接地工程和检测接地电阻当作人身安全和设备运行的必需，整个社会投入的人力和资金非常巨大，却没有得到人们的质疑与科学实验的检验。这是值得深思的。 (未完待续)
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发表于 2005-8-29 17:17:00
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