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防雷知识误解歧见浅析 ——昆明昆雷电力科学研究所 作者：梅忠恕 前 言
在报刊上，在防雷网站上，甚至在一些防雷指导性文件中经常见到一些有关雷电现象和防雷基础知识的错误解释和歧见，并且有些误解还以讹传讹，出现在防雷技术性刊物上。本文收集了一些误解和歧见，逐一进行分析和解释，指出其错误之所在，旨在帮助读者建立对防雷基础知识的正确认识和理解。
1 雷电能量值得利用吗？
有的防雷基础知识培训教材是这样描述对雷电能量利用的：如果能将雷电能量引导下来为我们服务，将超过多少个大发电厂发出的能量，足以解决目前困扰我们的缺电状况。还有的人说“全世界一天的雷电放电的能量可以足够人类用一年”。有一个防雷基础知识培训班的老师也曾讲道：“雷云电压极高，几百万伏甚至千万、亿万伏以上。雷打下来时电流很大，有几十或几百千安。如果人们能降服雷电并加以利用，肯定是件非常有价值的事”。还有人说，一个雷电放电释放出的能量，可以相当于世界上最大的发电厂发出的电能，等等。 我们暂且不谈如果降服雷电的问题，那肯定是一项难度极大，风险极大，目前无法实现的事。让我们先来分析计算一下一个雷电究竟具有多少能量，看看是否具有被人们利用的价值。 假若一片雷云，其面积A=10平方公里，离地高度d=1000米，充电荷Q=30库仓，其能量W为 （1） 式中C为雷云相对大地的电容量，它又为： （2）
而U为雷云对地的电压： （3） 式中，e0为空气的电介系数，e0=8.85 pF/m。 由上述参数我们可以计算得到雷云对地电容为C=8.85´10-8F，电压为U=3.4´105 kV，其能量为W=50.8´108 焦耳。经换算，才只有1400千瓦时（度）的能量。这是一个中等强度雷云的全部充电能量。 从大气物理学的研究得知，地球大气电场的电压平均值为360kV，从电离层到大地的全部电流为1800A，两者合成的总功率为648MW。地球大气电场消耗的这个功率由发生在全世界的雷暴提供补充，以达到平衡。由此可见，全世界每时每刻发生的雷暴的总功率也为648MW，这个功率还略小于我国三峡电站1台发电机的功率（三峡电站每台发电机的功率为700MW）。 再看雷电放电后雷电流在避雷针上将产生的电磁辐射干扰。根据交变电磁场理论，一座天线向外辐射的电磁功率可按下式计算：
（4）
式中， z为空气的波阻抗，z=377W。l为电磁波的波长，米。I为雷电流幅值，安。L为避雷针（天线塔）的高度，米。 假设一支高10米的避雷针，权且当成辐射电磁波的天线，引导的雷电流为80kA时（这是一个中等强度的雷），假设雷电流的频率为0.2MHz，相应波长l=1500m。将雷电流、波长和波阻抗代入上式，可计算得避雷针辐射出的电磁功率为：P=225MW！可以看到，这个功率相当于一台中等容量的发电机。 可是，这个电磁辐射波的持续时间很短，只有几十微秒。若以50微秒计，其电磁波能量为11.25千瓦秒，相应于3.1千瓦时（度）的电能量。即是说，雷电流辐射的功率的确是很大的，但其能量却不大。 由上述计算我们不难发现，无论雷云的充电能量，还是雷电放电形成后的电磁辐射能量，相对现代发电厂或大型发电机的功率都很小，它根本不具备利用的价值。 具有上述误解的人，错把功率与能量相混淆了。雷电放电时的功率确实非常之大，但其持续时间又是非常之短暂，能量等于功率乘以时间，于是能量数字就被乘小了。 2 雷电流能够烧坏塔吊的钢架构件吗？ 最近在某市的一份报纸上看到这样一则报导： “防雷专家提醒——谨防雷电引发建筑坍塌”。大意是说，“1997年8月，宜宾岷江二桥因吊装塔吊坍塌引发正在合龙的大桥发生垮塌的原因只可能是雷电电流流过钢塔架导致释热速率极高，进而产生高温影响塔架强度所致。于是某某防雷专家提醒，要杜绝建筑物因雷电灾害造成整体或局部坍塌事故的发生。” 这位防雷专家的错误在于，他只看到雷电流的巨大，但忘记了它的持续时间是非常之短暂。在几十微秒之内，雷电流是不可能烧熔塔吊的钢架的。其实我们只要想想避雷针和引下线吧，它只有十几毫米粗，其截面远比塔吊的钢架小很多，它不知经历了多少次引导雷电流入地，也没见它被烧熔折断，何以巨大的塔吊钢架却会被雷电流烧熔垮塌？ 以下我们以科学的态度，具体计算一下，当雷电流通过不同截面的钢材时的发热和温升情况。 当温度为20°C时，单位长度钢材的电阻R0为： （5） 式中，r=0.15W·mm2/m为 20°C时钢材的电阻率。S为钢材的截面积，mm2。 虽然钢材的电阻会随着温度的升高而增加，但稍后我们就可看到，其实钢材的温升是很小的，故这里用不着考虑温升对电阻的增加。这样我们就可以简化下面的计算过程。 为了计算简便，我们假设雷电流为I=200 kA的方波，它持续的时间为t=100微秒（这个假设比实际雷电流严格多了）。将它在钢材电阻上产生的电能，再换算成热Q： （6） Q的单位为卡，系数0.239为热功当量。 Q将使钢材的温度升高T°C， （7） 式中，m为钢材单位长度的质量，kg，而c= 460.5 J/kgK，为钢材的比热容。 几种不同规格的钢材的计算过程和最后的温升结果如表1所示。 表1 200kA雷电流通过不同规格的钢材时的温升 序号 钢材种类 每米质量，kg/m 截面积S，mm2 每米长度的电阻R0，W雷电流的发热功率Q，J 温升T，°C
1 F8 园钢 0.395 50.3 2.99´10-3 2.86´103 15.7 2 12´4 扁钢 0.38 48 3.13´10-3 2.99´103 17.1
3 F10 园钢 0.617 78.5 1.91´10-3 1.83´103 6.5
4 F16 园钢 1.58 201.1 7.46´10-4 7.13´102 1.0
5 F20 园钢 2.47 314.2 4.77´10-4 4.56´102 0.4
6 50´50´5角钢 3.77 479.6 3.13´10-4 3.0´102 0.2 从上面计算结果我们不难看到，雷电流所致钢材的温度升高是很小的。国标GB50057-94第4.2.1条中对防雷引下线的规定为圆钢直径不小于8mm，扁钢截面不应小于48mm2，它们在200kA，100mS方波雷电流的作用下才只有温升16~17°C。如果用手触摸，人们也只能感觉稍稍热了点，何况这么大的雷电流是很少遇到的。因此雷电流的发热本是一个可以忽略的问题，完全用不着小题大做，不必担心塔吊钢架构件被雷电流烧熔跨塌。 3 雷电会袭击手机吗？ 2003年07月16日 《北京晚报》有则报导说，一男子打手机遭雷击，专家提醒雨天要防雷。 “张家港消息 据《扬子晚报》报道，前两天，一辆摩托车行驶在张家港南二环路包基附近时，突然电闪雷鸣，车上两名中年男子同时被雷电击倒，其中一人当场死亡，另一人仍在抢救之中。据悉，死亡原因可能是由于闪电击中其中一人的手机，导致两人触电身亡。 闪电时打手机到底会不会导致触电？记者就此采访了有关专家。南京大学气象专家余´´教授认为，由于雷电的干扰，手机的无线频率跳跃性增强，这容易诱发雷击和烧机等事故。但一般来说，公共聚居地都装有避雷装置，人们处在这种环境中相对安全，雷电仅仅会干扰手机信号，顶多也仅是损坏芯片，对人体不会造成致命伤害。而一旦处于空旷地带时，人和手机就成为地面明显的凸起物，手机极有可能成为雷雨云选择的放电对象。江苏省防雷中心的有关专家提醒市民，一定要加强有关避雷尤其是电源、信号系统的防雷击意识，尽量避免在打雷时拨打或接听手机，雷雨中穿行无障碍物地区时，最好关掉手机电源。” 其实，男子遭遇雷击不是因为他打手机，而是他处的地形位置和当时的雷暴发展所决定的。他不打手机，也会遭遇雷击。只不过因为他正好在打手机，把雷击的原因算在了手机上。这是不科学的因果关系解释。 余教授所说，手机频率“跳跃性增强，这容易诱发雷击和烧机等事故”，这更是不正确的解释。因为无线电射线并不会引导雷电的先导放电，何况手机的无线电信号非常微弱。如果无线电射线能够引导雷电放电，那很多无线电、电视广播的天线不是一打雷就会遭殃，而无法正常工作了？反之，我们的防雷也就十分容易了，只要在避雷针上装一个无线电信号发生器，不就成了最好的引雷针吗？ 我们不能把偶然发生的事件，胡乱联系因果关系，于是得到令人啼笑皆非的结论。 4 在加油站能不能打手机？ 有一个网友，在防雷论坛发帖子说： “那天，我坐的大巴在加油站加油，我拿出手机准备打个电话，有个人正好经过我身边，对我说‘不要在加油站用手机'”。我不懂，但是想想可能有道理，就不打了。可到底为什么我确不明白？” 我们的防雷、防灾要加强，可也不需要小题大做啊！为防灾，加油站不准打手机，这与防雷风马牛不相及。怎么搞得防雷的人也弄糊涂了？有人解释说，手机操作时里面会产生小小的火花，有可能引爆加油站。这与雷可没有关系。其次，担心手机中产生的小火花，那我们要问：老天打雷时，其产生的电磁射线比手机的无线电射线不知强几千几万倍，它在电线回路中或金属裂口处可能产生的火花才不小啊！加油站怕不怕？真是小巫见大巫。怕小巫，不怕大巫。 5 雷电流可以限制吗？ 当雷击形成时，雷电流通道中的阻抗包括有：空气的波阻抗，雷电通道中的电阻，引雷塔（避雷针和塔）的电阻和电感，以及接地网的接地阻抗等。在这些阻抗中，以空气波阻抗数值最大，对雷电流的影响也最大。空气波阻（抗）Z0等于： （8） 式中，m0=4p´10-7 H/m，为真空的导磁率；e0=8.84´10-12 pF/m，为真空的电介系数。考虑到空气的导磁率和电介系数与真空的导磁率和电介系数非常相近，将两系数代入（8）式，就可计算出空气的波阻，Z0=377W。 可见，空气的波阻抗是一个常数，它表示雷电流的电场分量和磁场分量的比在空中任何地方都是一个常量。 在此，顺便对波阻抗的特性作一简单介绍。电磁波，或电压波、电流波在任何物体内传播时都将遇到波阻抗这个参数，它表示电磁波的电场分量与磁场分量之间，或电压波与电流波之间的关系。波阻是一个分布参数，它只与介质的物理性质有关，而与传播的波值大小、频率等参数无关。说波阻抗是一个阻抗，其实它的单位为电阻（欧），它并不表现为电感性，又不表现为电容性，它就是电阻性的。可是电磁波（或雷电流）通过它时，却没有损耗，即电流通过波阻抗没有像通过常规电阻那样的发热（焦耳）损耗。 从数值来说，空气的波阻抗比引雷塔（避雷针加引下线）的阻抗和接地网的阻抗大得多。因此雷电流的大小主要取决于空气的波阻抗。 市场上有一些所谓限流避雷针，就是在避雷针上加一个电阻或电感，叫做限流阻抗。我没有具体了解过厂家究竟是加的电阻，还是电感，它们的限流阻抗数值具体是多少，因为这是厂家的商业秘密。不过从以上分析可知，所加的这个限流阻抗对雷电流数值的影响将是微不足道的。每个人都可以比较，所加的那个限流阻抗数值与377欧的空气波阻抗相比，有多大份量？何况对于限流阻抗来说，本身还有一个绝缘强度的问题。所加阻抗大了，在雷电流作用下阻抗两端的电压降也大，此电压有可能导致限流阻抗外表面的闪络。其结果等于没有加限流阻抗一样，或所加限流阻抗为零。那所谓限流避雷针在雷电流下就根本谈不上限流了。建议用户在采购这类避雷针时，仔细向厂家询问，它所加的限流阻抗能否保证在所标称的雷电流下不闪络。 还有的防雷工作者不知道雷电流通道还有空气波阻抗这个参数，他们在编写防雷知识讲座教材时恰恰遗漏了空气波阻抗这个十分重要的参数。认为雷击时承受雷电流的全部阻抗就只有避雷针、引下线和接地网的阻抗。这是较常出现的误解。 6 接闪器承受的是什么电压？ 在一篇有关接闪器敷设方法的论文中，作者写道，接闪器在雷击时将承受电压： 式中R为防雷装置电阻。这位作者可能在这里指的是避雷带受雷击以后，雷电流在接地引下线和地网接地电阻上的电压降。作者在这里有两个失误： （1）这个电压是在接闪器接闪以后，即雷击发生后，雷电流在接闪器上表现出的电压。而且，所用公式也是不对的。当接闪器受雷击后，雷电流i在接闪器上造成的电压除了引下线和接地网的冲击接地电阻R外，更主要的还有引下线和接地网的电感L。正确的电压表达式应为：
（9） （2）在接闪器接闪以前，即雷击发生前，接闪器面对的是整个雷电压。它就不是公式（9）所表示的电压了，而是前面公式（3）所表示的电压，它比公式（9）的电压高几十或几百个数量级。 在雷击发生前，接闪器面对的是全部雷云电压。当雷击发生后，即接闪器接闪后，它所承受的才是雷电流在接闪器总阻抗上的压降。不能将两者相混淆。 作者简介：梅忠恕，教授级高级工程师，1962年清华大学高电压专业毕业， 1983~1985年公派赴加拿大魁北克水电研究院进修，一直从事高电压及防雷保护的试验和科研工作。退休前任云南省电力试验研究所副总工程师。在国内外发表论文数七十多篇。 | 
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发表于 2004-3-9 00:26:00
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发表于 2004-3-9 14:01:00