有人用过“ 等离子避雷技术”吗

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本文作者：清华大学物理系
虞
昊

一、引言

    2002年12月联合国组织的国际发明博展会上，国际宇航科学院院士庄洪春发明的等离子避雷项目获特等金奖，评选专家认为是“人类生存和保障的最佳发明”。它的重要意义，迄今未被公众了解。作者于2000年1月5日参加并主持了中科院空间中心对这种防雷新技术模型实验的专家评审会，从实验结果看，其理论是可行的，实际应用价值，须待解决技术难题，并在尔后雷击现场中经受考验，才能判断。2003年12月13日在西双版纳举行“等离子避雷球试用鉴定验收会”，气象老专家年近八旬的廖洞贤、梁奇先和作者一起去那里考察，向当地主管防雷的气象局干部了解实践的效果。西双版纳与雷州半岛一样，是我国雷击概率最高的地区，试用的10个单位无一出现落雷。由作者主持的这个会的全体专家一致通过验收。现已成立北京卫昊康等离子技术开发有限公司，批量生产定型的设备，引起众多企业家和亟需信息技术防雷的部门极大的关注。

从蒸汽机诞生之日起的历史，可以看出一种社会现象：某些关键性新技术的普及，必引发社会生产、生活和市场的巨变，预测这种变化是极有价值的。21世纪是数字化信息社会的时代，防雷市场将与之紧密相关，任何防雷技术及产品必须与之相适应，才能大发展，否则必走向消亡。与技术紧相连的防雷规范同样如此。以富兰克林防雷系体为基础的《建筑防雷设计规范》颁布实施以来，很不适应数字化信息社会，《防雷世界》2004年1月刊出要整本修改的通告，是个明智选择。迄今为止，几乎所有各种各样的防雷规范，不论是哪个国家的或所谓国际性的，差不多都受着富兰克林防雷思维的束缚，都会与数字化信息社会的发展不相容。庄洪春发明的防雷技术与富兰克林防雷思维相对立，恰恰符合21世纪数字化信息社会发展的需求，它的进入防雷市场不但将彻底改变各种防雷工程而且还会引发建筑、电力、信息……等行业的设计原则和牵连的工程技术，使有关的市场发生大变化。

二、等离子避雷技术的历史概述

庄洪春是我国人造卫星第一功臣赵九章院士的入门弟子之一，长期从事空间电学理论研究，这是为我国航天技术服务的，20世纪80年代从美国回来后在中科院空间中心作研究员，并担任雷电组博士生导师，把研究方向转向我国航天发射场的地面防雷，于是联想到美国创始的保护卫星表面的等离子防击穿技术，把它移植到地面的防直接雷，经一年余的理论研究，于1995年通过中科院向国家申报专利，1996年初以“等离子避雷方法和装置”（即“制造高导电率气层防雷避雷方法和装置”）专利公布，立刻就有国内、外多家企业与中科院空间中心联系，愿投资这项发明专利，可见它的应用价值。1995—2000年初，这项研究从理论可行性进入实验室研究。

到2000年1月专家评审会为止，这项工作基本上是属于与实际建筑防雷相脱离的基础学术研究，证明了达到某一导电率的一定厚度导电气层的覆盖是可以防止直击雷对被覆盖物的袭击。

从这一时期之后到2003年底，这项工作进入实际应用阶段，技术的主要难题是：如何实现大面积的地面物获得足够量的符合需要的高导电率气体（等离子气体）的足够久的完全覆盖，在多种技术难题的研究并获得解决中，防雷原理的思维发生了升华，防止地面物落雷并不需要用高导电率气体把全部表面覆盖上，而只需要把它的部分电荷面密度最大的表面上的电荷中和掉，或者把这些表面电荷产生的大气电场削弱到一定值以下即可。因此庄洪春近期发表的论文把“等离子避雷技术”的原理称之为“电荷避雷原理”。这项防雷设备主要部件之一是一个电荷放大器，而且必须对所保护的地面物是否接地和接地的具体情况作出相应的设计，以防止直击雷的发生。西双版纳的10处避雷试验点的设置各不相同，就是这个道理，其中勐龙二炮战车模型的防雷设备最简便，因为战车的车轮对地绝缘，雷雨云对它产生的异号感应电荷量要比接地的建筑少得多。较易中和掉。

三、中国古代建筑的“绝缘避雷”技术的发掘

我国台湾大学物理系主任著名物理学家林清凉退休后多次到大陆各地考察中国古代科技成就并与中科院研究科技史的知名物理学家戴念祖合作，于近年撰写出版了五巨册大学物理教科书，非常严谨、求实地介绍了中国古代的一批重大科技发现与发明。该书以充分的证据阐明中国早在一千多年前就已出现两种建筑防避雷技术，一种是引雷入地，与欧美二百多年前富兰克林发明的一整套防雷技术非常相似[1]。另一种是“绝缘避雷”技术。迄今仍保持完好的山西省应县木塔，在雷暴中屹立近千年，就是证明。这不仅是全世界独一无二的高层纯木结构的建筑古迹，极为珍贵。又是极为罕见的古代中国科技成就的宝藏，供后人发掘研究。作者已在2003年7月出版的《CHINA防雷》杂志和2003年第二期《雷电防护与标准化》杂志先后作了介绍。

最近参观了西双版纳的等离子避雷球的试验点，深入思考了这一高新技术的物理原理，与应县木塔避雷原理作对比，才恍然感悟到两者的高度一致。雷击是小概率事件，要从雷暴下的实践来检验一种避雷技术的可信赖程度需要很长久的时间。千年木塔的完好无损是对绝缘避雷技术的最能令人信服的证明。也可说是庄洪春发明的等离子避雷技术的可信赖的一个旁证。

    2003年11月编印的《第二届中国防雷论坛文摘编》第59页刊登一篇 “从应县木塔遭受雷击谈‘绝缘防雷’”的文章（以下简称“某文”）公开宣布一个行政决定，要对木塔进行改造，要破坏绝缘良好的地基，装上导电良好的环型接地装置，以证明富兰克林的防雷思维的正确，也就是维护GB50057—94的绝对权威。该文作者之一就是代理销售法国爱丽达避雷针的某国营大企业的重要领导人，2003年10月29日首届亚洲论坛会上，他庄严地对我说：“应县木塔已确遭雷击，我已拍到照片可作证！”待拜读他的文章之后，才恍然大悟，所谓“木塔遭雷击”的证据只是一套骗人的谎言邪说，“醉翁之意不在酒”而在乎消灭“绝缘防雷”技术的证据，以保其市场销售的经济利益。作者将另写一文给《中国雷电与防护》杂志予以分析。这里仅就科学论文应遵守的起码准则，揭示一点该文结论的荒唐。

    Jules H.Poincaré (1854-1912)是位非常杰出的数学家、物理学家和天文学家，特别对科学哲学有极重要贡献，促进了爱因斯坦相对论的发现。他著有多本有关科学思维的经典名著，其中有一段名言为科学界所传诵：“逻辑和直觉各有其必要的作用。二者缺一不可。唯有逻辑能给我们以可*性，它是证明的工具……”[2]

林清凉在五巨册大学物理教科书的绪论中也一再强调严谨的逻辑推理的重要性：“古代中国的物理学缺少Archimedes的数学方法，也缺少Aristoleles的论证问题的方法。这大概是造成中国从明季开始科学落后的主要原因。……就东西方的科学方法在古代阶段而言，一旦逻辑推理有失严密，诸如推理起点不正或推理中间插入不当因素，其结果断然有误。……”[1]

在逻辑推理中最易出错的就是把基本事实歪曲了。把严格定义的物理概念弄混了，把基本的物理定律用错了，凡出现这种差错的大学生是绝对不合格的，以后工作时必会犯大错。从逻辑学上说，也就是思维违反了形式逻辑的两条基本规律：同一律：“A=A”和不矛盾律：“A≠非A”。人们通常形容造假者“狸猫换太子”和搞诬陷者“指鹿为马”，从逻辑上说，就是违反了同一律和不矛盾律。

现在来分析“某文”，它说：“2002年9月7日夜，有目击者见到应县木塔顶发生火光，当时气象站有雷电发生的记录”。由此作出“木塔遭雷击”的结论。首先要弄清楚“雷击”这个概念是什么？大家都知，它是指“闪电击中木塔，产生回击放电，”可以用闪电的照片作证。此外闪电电流的热效应必导致干木构成的建筑发生大火，特别是木塔类似于极高的烟囱，有强烈的空气对流，是各种建筑中易发生大火的。所以雷击中木塔必出现大火，是公众的常识。木塔顶高耸的铁刹顶端在强电场中发光，是常见的电晕发光现象，古书多有记载，这与闪电导致的火花放电（即雷击）是完全不同的两回事！真可谓“指鹿为马”。至于县气象站听到雷声的这类记录更不能作为“木塔遭雷击”的凭证，全县任何地点落雷均可以在气象站听到，记录在案，而且云闪也可以被听到！

还有更妙的逻辑：“1950年代在距塔约100m处发生过两次直击雷的记录，……因此，不能说在此之前塔未遭过雷击。”我们可以把“木塔遭直击雷”用“A”代表，则“距塔100m处遭雷击”绝对不能再以A代表，而应该用“非A”代表。“某文”却从那两次直击雷的记录得出结论：“木塔遭过雷击。”也就是它的逻辑为“A=非A”。

某文“作者还强调：应县木塔位于山西朔州市，属干旱的地区……，雷击概率要少的多。”他是想解释木塔幸存至今，是干旱少雨雷击概率太少所致。可是仅1950年代木塔旁100m处就有两次直击雷，可见这个地区落雷概率并不小，而且这些直击雷不打到塔身上，偏偏打到100m开外之处，这恰恰证明了木塔的绝缘地基起了避雷作用！

四、绝缘避雷和电荷避雷的主要科学根据

鉴别真、伪科学，简言之有三条：（1）真科学必有科学实验做验证，可以让任何人来进行实验，皆得出相同的结果，为此这种科学学说总是可以用数理方法进行定量计算，以便于与实验测量值作比较。伪科学则无，或者以魔术表演蒙骗群众。（2）真科学的理论必与经受了大量实验检验的基础科学理论相一致，不会出现矛盾，伪科学则不然。（3）真科学在逻辑推理上严密无误。读者不妨用这三条来分析比较一下绝缘避雷技术与鼓吹富兰克林防雷技术者的说理所依据的原理学说。

麦克斯韦电磁场理论是迄今为止唯一正确的有关电磁宏观现象的科学真理，大气中的闪电现象无不遵守这个理论体系。闪电的发生与发展无不遵守这个理论所阐叙的规律。众多的大气物理学家对闪电从云闪开始，发展为下行先导，进而发展到落地雷的全过程早在20世纪中叶已充分清楚地观察到了，并且可以用麦克斯韦电磁场理论阐明。最基本的科学原理并不复杂，就是：空气是不导电的绝缘介质，必须由云中电荷产生的电场的作用使之发生电击穿，出现等离子体，才形成导电通道，于是出现了向下发展的闪电，称为下行先导。电荷的电场力与距离的平方成反比，所以击穿的距离是有限的，只能一步一步地跳跃式发展，被称为梯级先导。这种先导的前进是极端无规的，与多种因素有关，所以看到的闪电有千变万化的分*形状，云中的部分电荷被下行先导携带而行，当下行先导到达离地面物一定距离时，必有某些地面物顶端感应的异号电荷的面密度较大，表面附近的空气被异号电荷产生的电场击穿而发生上行先导（称为迎面先导），其中必有一条上行先导与下行先导会合，连结成一条完整的导电通道，于是地面的大量异号感应电荷迅速循这条导电通道窜向雷雨云与云中电荷中和，这就是回击放电，或称之为主放电。这就是一切落地雷的形成过程，由此可见迎面先导的产生是落地雷所必不可少的组成部分，下行先导不一定必发展成落地雷，我们常可看到不少闪电分*在半空中就成为强弩之末而消失了。另一方面可以看出：落地雷电流的大小决定于回击放电电流，而后者又与地面感应电荷的数量紧密相关。因此可以作出结论。

（1）若地面为绝缘物，下行先导就不可能使地面感应异号电荷，则地面决不可能出现空气击穿和发生迎面先导，所以绝缘地面不可能出现落地雷！这就是绝缘避雷的原理。而电荷避雷技术则是用等离子技术及电荷放大器来中和被保护物表面上的感应电荷。

（2）地面导电性能越好，导电面积越大，则闪电的主放电越强烈。也就是说接地工程越庞大，落雷概率与闪电电流也越大，则地面建筑物内的信息技术设备遭到雷灾越严重！

且看一些著名事实：1992年6月20日中国气象局气象中心大楼的避雷针引雷入地，富兰克林避雷针系统良好，特别是接地装置优良，整个大楼建筑完好无损，但是最重要的设备却遭到巨大损失，6条北京同步线路和1条国际同步线路被击断，计算机系统工作中断46小时，不仅气象局本身遭殃，而且全国由于看不到天气预报而造成的经济损失就更大了。报纸报导这条消息时称之为“大水冲了龙王庙”！

作者著的《电、静电、雷电防护》一书刊有一张美国肯尼迪航天中心火箭发射场的闪电照片，后来许多书刊加以转载，闪电从勤务塔顶避雷针上空下来，并不被针尖吸引，却饶过高大的火箭，击到火箭底部下导电极好的接地装置上，这毫不奇怪，异号电荷相吸嘛！

还不可不讲一讲“某文”作者大力推销昂贵的法国避雷针所带来的雷灾，1999年7月中国石油天然气集团在大连举办全国防雷干部培训班，“某文”作者借讲课之机违规在课堂上大量散发法国爱丽达公司的防雷商品广告，其中有一本小册子为《爱丽达避雷针主要工程一览表》，印制日期为1998年7月28日，小册子第一页第一行就写着：首都机场新航站楼于1998年安装了Pulsar60型提前放电避雷针18套。（附注：请注意，该公司成立于1932年，77年来，全法国仅12家用户安装这种避雷针，而在中国仅北京市一地在三年内就有30家用户了！）其实践效果呢？中国气象局防雷办内部印发的一本书《2001年全国雷电灾害典型实例汇编》第一页刊登的北京市雷灾，第一起就是“5月3日，首都机场遭雷击，击伤停机坪上正在维修飞机的7名工作人员。原因分析：飞机接闪”。18套法国避雷针竟拦不住直击雷击！相反，正是花一百多万元钱购置这么多法国避雷针才导致7名维修飞机人员挨了雷击！因为稍有常识的正常人都懂得雷暴临空时不应到室外去冒雷击之险。可是GB50057—94宣称富兰克林避雷针系统可确保防雷安全，气象局办的国营防雷公司又大力推荐并销售这种法国避雷针，有此“双保险”，7名工作人员就毫无顾虑的在雷暴下维修机飞机了。真、伪科学在这一事件中是何等清楚呵！

对于机场该如何防雷？从古代绝缘防雷学说看，只要求机场地面地基全部为绝缘物即可。现代的机场有了庞大的金属导电物——飞机，古人是料想不到的，庄洪春发明的电荷避雷设备则有了发展和补充，可以设计一套相应的装置把飞机上所有可能发生空气击穿的表明处的雷电感应的电荷中和掉。西双版纳的10个试验点就是如此做的。

此外还有一个附属于这套设备的技术大有用武之地，那就是一套可以准确测量大气电场的探测系统和自动控制系统，它在测量闪电先导已接近到被保护物的“闪击距离”时，立刻自动打开等离子发生器和电荷放大器的电源开关，使全部设备开始工作。待闪电先导消失的瞬间，全部设备自动停止工作。这套附属设备可以带动报警设备，及时通知所在地区的工作人员进入安全的避雷场所。肯尼迪航天中心与我国西昌卫星发射中心早就这样做了。首都机场可以与庄洪春联系，装上这套并不昂贵的设备嘛！最近已有为国防系统研制防雷的单位与作者商谈此事。这种防雷的措施称为“躲”，是孙子兵法中很有价值的一着策略，“36计走为上”嘛。

五、预测今后防雷技术的走向及引起相关的动向

凡从事过防雷工作的均知道，接地工程极难又耗费极大。计算和测量接地电阻在理论上疑难重重，在实践上更是困惑万分。作者在第八期《防雷世界》杂志中写的文章只稍微透露了一点点此中问题。但是GB50057-94这个国标强制规定人人必须遵照，否则可以勒令停业整顿。这里仅举一个实例：1994年1月8日北京防雷中心请作者给北京市防雷干部培训班讲课，学员大多数是北京市及中央在京的重要单位主管防雷的高级工程师等科技干部，课间休息时一位国营化工大企业的高工提出一个质问：“往年接地电阻是用摇表测，总是合格达标。今年防雷中心规定必须购用冲击接地电阻仪，好几万元一台，测得的读数远远大于以往摇表的读数，超出额定允许值，按国标规定，勒令我厂停业，重修接地工程，这一来，仅停业一天就要损失百万元以上，从理论上说冲击接地电阻值应小于摇表测得的工频接地电阻值。这样勒令停业重修接地工程合理吗？”关于这个问题，作者在《现代防雷技术基础》一书已作了明确回答。但是问题并未解决。《首届中国防雷论坛》这本论文摘编第116页—117页刊出一篇黑龙江省防雷中心6位干部合写的文章，极有价值地透露了实际测量接地电阻时必出现的令人困惑的现象。他们用日本生产的很高级的地租测定仪对某建筑物地网测量28次，测得14种极不同的地阻值，最低值为0.7Ω 很合格。而最高值则达100Ω，大大超过法定合格值！究竟哪个数是真正的地阻值？？？

不用惊奇，换一批防雷中心检测干部来干这件工作，仍会出现这种现象！还可以做到测得值超到几百Ω 呢！这是客观存在的规律的反映，就连制造这种高级昂贵电表的日本专家也无法解释这种怪现象，他要是有科学良心，就必停止生产这种骗人的商品了！

要判断一个物理量的计量标准是否正确，必须先由国际计量委员会共同选定一个标准件作为校核的客观依据。“接地电阻”这个物理量能作出计量标准吗？绝对不可能！那么，日本生产的这种测定仪的使用方法和电表的读数拿什么来校核？！

国际公认的标准电阻是金属制的，它遵守欧姆定律，在给定的温度下，在两端加上电压V，则必通过确定的电流值I，V与I的比值是确定不变的值，它就是恒定值R=V/I 。请注意，标准电阻均为金属线材，电流线均为互相平行的线，它们必与终端平面互相垂直。

如果用一个大面积的方块金属作成电阻，测量电压和电流的电极作成针状，就如地阻测定仪那样，则电流线的分布必将随针状极的位置而变，这样测得的V/I=R值就可以出现各种各样的数值！

揭穿了这个奥妙的谜底，GB50057—94这样的国标还能有权威吗？生产各种各样的地阻测定仪的企业还有市场吗？

庄洪春发明的等离子避雷球产品根本不需要接地工程，彻底解决了防雷接地这个大难题。随之人们要问：电力系统的安全接地和电信系统的防干扰接地和逻辑接地又如何解决？

其实21世纪科技的发展本身已在解决这个问题。大家知道，当今信息社会使用量最大的科技产品是电话和电脑，在电话方面移动通讯使用手机的用户即将成为首位。而电脑用户中使用便携式笔记本电脑也将接近首位，加上蓝牙技术的迅猛发展，信息技术设备将彻底摆脱两种电缆线（电源线和信号线）的束缚，任何接地都将成为过去，是科技发展的大势所趋！

至于电力系统的用电安全也必将随着科技的发展而发生变化，既然建筑物采用绝缘避雷，地基改用绝缘，则一般使用的电器的触电难题就迎刃而解，作者的《电、静电、雷电防护》[4]一书刊有一张彩照：在中国科技馆大厅里，一位女士站在绝缘台上，手摸几十万伏的高压电极，头发飘起，而人安然无恙。可见建筑物设计的改变。不仅改变了防雷设施和防雷法规，也必同时改变用电安全的一套设施和法规，由此必然引发防雷市场、建筑材料市场、电力、电器市场的大变化，例如四川中光防雷高科技集团在一年多以前发明的专供移动式信息设备内部防雷的微小器件将成为热销商品，因为它适应了当今科技发展的趋势。

另一个问题也将发生，那就是立足于富兰克林防雷思维的《中华人民共和国气象法》的第三十一条将会退出历史舞台，而大批以此法规为生存条件的工作人员势必改变工作内容，以便适合人民群众的需求，这当然是一种大好事，是一种进步。

参考资料

[1] 林清凉. 启发性物理学. 台北市：五南图书出版股份有限公司. 2003年

[2] H Poincaré. La  Valeur  de  la  Science. Paris.  1920

[3] 李醒民. 两极张力论. 不应当抱住昨天的理论不放. 西安：陕西科学技术出版社，1988

[4] 虞昊、罗福山等. 电、静电、雷电防护. 北京：中国计量出版社，1993

清洁工

高科技东西，孤陋寡闻了，惭愧