[这个贴子最后由通天雷神在 2006/04/30 11:39pm 第 1 次编辑]
雷电防护杂感 陈春元 （湘潭市气象局 411100） 1 引言 从我们习以为常的“雷鸣闪电”到“雷电”，不经意间，概念就有了很大的转变，所谓“雷电”则是从云到地的闪电。这种大气中的对地闪电，由于具有随机、瞬间以及破坏性的能量等特性，既引起了人们对它的认识，又存在诸多的疑问，乃至200多年来，对地闪电所引发的一系列声、光、电、热等能量表现，人们仍然不能找到令人十分满意的答案；尤其面对雷击造成的灾害，一方面人们被动地积极防御，另一方面又对穷出不尽的雷电表现看法不一。雷电到底是什么？为什么会闪电？雷电流是不是与平常认识的电流一样的呢？认识不了，也就防护不了，但是，我们如何去认识呢？ 我们谈得多的是雷电流强度或雷电流的波形，可是其强度和波形都是随着雷电流运动的时间发生变化的呀。我突然想到一个问题，小水滴通过在厚厚的云中碰撞并增长，最后从云底向地面落去，当在空中的时候雨滴还是不连续的，一旦遇着地面物体，雨滴则变成连续流动的水。大气的上升和下沉以及云内的剧烈运动，将原本细微的水汽粒子聚合到一块形成大小不同的降水。雷电为何物？也许，云体不同部位各自为阵的荷电原本是互不往来的，只因气流的上下携带了电荷而形成电流，负荷电流与正荷电流在云内相遇，象电路短路一样产生猛烈的云内放电。观测者知道，没有云内闪电，几乎没有云地闪电，因此，云内闪电就成了云地闪电的一种机制，雷暴云作为云地间的局部发电机是有道理的。云内电荷处在不导电的空气中，必须克服原有的电场作用，上下气流的外力促进了电荷的有序运动，云内闪电继而改变了云内电场状态，导电的空气可以使得放电电流从云顶部经云内则和外则流向云底层，这样，云底蓄积的电荷才可能具备向地面发展的某些条件。我们通常认为，云地之间应该存在一个强大的起始电压，这个电压触发了云底的荷电向地面发展，在局部的强电场作用下，荷电获得了撞击其它分子或离子的能量，使得受撞击的分子或离子释放电子，这一而再再而三的撞击作用，如雪崩似的效应在云地间建立起电荷输送通道，产生了雷电流。可仔细一想，又不是那么回事。从云底脱出的荷电离子或粒子，完全是机械运动所形成的运流，当它接触地面物后，才会在物体的上下端产生电压，此时在物体或地下形成定向的传导电流。说来，也和降水的道理一样，云地间的闪电电流是两种不同运动方式的电荷随时间的变化，传播的速度也不完全相同，对地面某点的电场作用也不同，那为什么我们谈得多是一种雷电流强度或雷电流波形（一个雷电过程）？对于雷电和雷电流，我们想简单界定为高频的瞬态电流，但事实上与概念中的恒定电流离得太远，也不是实验室模拟的放电就可以认识的。 说到放电，在地闪的物理图象中，我们总忘不了先导与回击，是先导与回击的连接建立了云地间的闪电，而先导与回击的连接距离取决于先导携带的电荷量，电荷量难道与雷暴云体的大小和结构没有关系吗？美国亚利桑那州的观测研究（Battan.1965）指出，降水随对流云云地闪电频数的增加而增加，通过几年的观测表明，在大约1000㎞2面积上，大雨比小雨的云地闪频数大55倍以上[1]。周筠君（1998）利用三站闪电定位系统与雷达、降水及探空等资料对比分析，得到甘肃地区雨强R与对应时段的地闪数F的回归方程为R=1.692lnF-0.273,相关系数为0.8641[2]。从气象学的角度而言，降水的大小与湿度、温度、气压、风场等有密切的关系。因此，先导的触发以及雷电流的大小是大气运动的结果，发生在云地间的闪电即空气击穿也将取决于气压和空气湿度等气象要素。 于是，我们可不可以产生这么一些疑问：在云地间，雷电电压和雷电电流孰先孰后？或是同时存在以及其它？也许，雷电地闪原本就是对流性降水的产物，地闪与否，则与云底的高度有关。 2 逆向思考雷电路径 最近，遇到两起雷击灾害的问题。一是2005年4月22日，湖南湘潭某中学的一位中学生在学校旷地被雷击身亡，事故现场有烧焦的衣服和金属尖顶弯把伞，死者脚部的胶靴底有穿孔，只是因为在死者携带手机的部位有明显的雷击痕迹，因而又有了手机引雷之说。二是2005年2月，湖南攸县一农民雷雨天在家打电话时被雷击身亡，有关技术人员在证实电话线、电源线有雷击痕迹以及有电视机和邻居电话机被损坏的情况下，肯定了该农民是被电话线引雷毙命。我们不能轻易否定人家的分析，但为什么不能思考这样一个问题：是地面何物扮演了引导雷电流的角色？避开深奥的理论，我们为什么不能浅显地认为前例是金属尖顶伞引雷呢？如是，完全可以推知死者手机部位和脚底是因为雷电流经过身体入地时产生的放电现象。对于第二例，我们可以肯定电话线承载了过雷电波，但由于电源线和电视机均有雷击现象，雷电是否通过其它途径使该农民毙命呢？比如，该农民居住旁的大树是否引雷，其根系是否延伸到住家？雷电流毕竟不是我们想象中的传导电流，如果云体与大地之间的闪电事实存在，我们自下而上的去看雷电流，是不是只看到了地面部分的呢？因为我们只能从地面部分查找可能的路径，空中的路径则茫然得很。在连接云地的回击之前，雷电流也许就是运流电流和位移电流之和，在考虑空气击穿时，我们多认为决定于先导端头的电位，而位移电流可以改变电磁场结构却鲜有疑问。大多遭受雷击的古塔，被损坏的部位并不是塔顶而是塔顶下面的某个部位；装有防雷设施符合规范的建筑物，一旦落雷，雷害就不可避免；大树被雷击后，树冠看不到破坏，撕裂处却往往是枝干或树腰。2002年7月17日，位于湘潭县姜畲镇白马村的高压输电线遭受雷击，承载高压线的瓷瓶串被击坏，导致高压线落在低压送电线上，因为高压线上有两根避雷线，所以相关技术人员分析说是侧击雷的缘故。如此种种，为什么我们不能认为是雷电流在向地下泄放时而发生的逆闪络呢？毕竟雷电流是荷电的运动，当荷电运动时，瞬间的荷电堆积使得局部电场突变和增大，于是就有击穿和放电。 通常，我们遵循防雷如防洪的道理，对可能来临的雷电进行疏导或阻截，但显然雷电流与洪水不一样，雷电流会产生热效应、机械效应和电磁场效应等，而洪水主要是力和浸泡的效应，所以我们不能完全按照水流的道理去分析雷电流的路径和作用。雷电流到底从何而来，其与大地的连接又遵循什么规律，这的确费人思量。力是什么？“如果你坚持非要力的精确定义不可，那你永远也得不到。”（费曼.《物理学讲义》）；但力又无处不在，“力是一种能量与动量的转移”[3]。云是大气运动和水汽抬升的产物，雷暴云的形成过程也是能量集聚的过程，无论云内起电的感应过程还是非感应过程，都是云体内外的动力机制起作用。因此，雷电流仍来自于一种力——电力，电力是物质世界真正的“东西”。当雷暴云逼近某个地面时，地面的气压场、电场都有明显的变化，变化的气压场加剧了云地间的气流上升，上升气流携带大量的荷电离子形成微弱的电流，此时，变化而增大的电场又增加了云地间带电体在电力作用下的运动，地面局部电场与先导端头电场的共同作用的结果，完成先导与地面向上微电流的连接，建立起通道，将云中的电荷输送到地面。电力的过程又会产生磁力，电力与磁力的交变波又将成为辐射，光和热充满了空间，一次雷鸣电闪，地面回应的不仅仅有放电的嘶嘶声，更多的是“汽车防盗的报警声”。如是说来，雷电流是瞬态的、三维的运动电荷，物理效应体现在传导过程、感应过程以及辐射过程上。 从雷电路径传导、感应、辐射的概念出发，我们可以理解雷电着地时，就好比一根断了的带电线触地势必绽开火花；落在球场的雷，因为电磁感应范围很大，同样能够使得一定范围的电子设备受损；竹林里落雷后，由于盘根错节的根系，承载雷电流的根系与没有承载雷电流的根系因放电而使得水汽膨胀以至土表松动，有似蛇虫拱动一般；空中强烈的闪电，辐射出电磁波，可以使得卫星接收设备出现信号紊乱。 3 避雷和引雷 避雷针实质上是引雷针。在雷暴云临近时，因静电感应，在地面尖端的表面积聚大量的异性电荷，对金属尖端而言，由于电荷的面密度非常大，产生的电场强度也非常大，随着先导的趋近，尖端周围的电场强度进一步加强，当电场强度大到足以击穿空气时，尖端附近同性电荷在电场力的推动下，成为迎击先导的电流，将原本随机的先导吸引过来。这就是避雷针的引雷机理。避雷针的引雷范围，既取决于避雷针尖端电场的大小，更主要的是取决于先导电流的大小，如果地面某点的电场强度比避雷针的电场大，或先导电流大小不在避雷针设计的范围内，也许避雷针就失效了。这奇怪吗？一点也不奇怪，不是经常出现所谓的“绕击”或“侧击”吗。雷雨天，地面处处有电场，感应且流动的电荷随时都有可能改变电场的梯度，使某处先行迎击。高耸的建筑，当先导趋向地面的方向与建筑高度方向平行且大于建筑物顶防雷设施的保护半径时，如果先导在高耸建筑的腰部分支，那么建筑腰部的某点完全可能成为侧击点。避雷太难，只能引雷，将雷引导到其它的地方去。 怎么引？据闻，美国航天局在指挥中心的上空架立避雷线，而引下线则远离建筑，将可能的雷电流通过空中泄放到地下。很多时候，我们根据法拉第笼原理，利用避雷网把应保护的建筑罩起来，达到了等电位，但雷击时却也免不了灾。如1992年5月，湘潭电厂的一栋宿舍落雷，尽管防雷设施完好，却没有避免大多居民家的电视机被打坏；1992年5月1日，长沙电大在防直击雷措施符合设计规范的情况下，一声雷霆，损失100万之巨。这是因为引来的雷电太强了， GB50057所以强调对一类建筑物的防雷要求用独立的避雷针，且避雷针系统必须与建筑物的金属件保持至少3米以上的距离。独立避雷针因为独立才具有很强的雷电效应，对独立避雷针整个系统来说，雷电来了，可以独善其身，但为什么与被保护物相共而不独立了，就可以不考虑避雷针独立时的效应？对雷电流的泄放而言，纵横交错的钢筋和分布均匀的多根引下线将分解雷电的能量，然对避雷针接闪的时候，不依然是独立的吗？100kA的雷电流在通过避雷针的时候，不会因为共地或等电位就变成50kA或20kA；避雷带接闪时，接闪瞬间的那段同样不会因多了几根引下线而改变雷电流幅值。对于单位长度的针或带的电阻假定为RO，考虑单位电感LO的作用，当10/350µs、100kA的雷电流通过时，单位长度的针或带产生的瞬态电压则为（100RO+10LO）kV,计及针带的高度和引下线的长度，瞬态的电压更大；就此出现的反击、电磁感应等不会因“公共”而消失。 解广润教授曾在80年代初载文日：感应电压实在高，保护范围不可靠，反击后果很严重，跨步接触人命抛[4]。防雷至今，大量的事实和实验证实引雷的副作用，防雷工程界也针对性地改善避雷针引雷时的环境，目的就是希望达到真正的避雷。从半导体消雷器到限流避雷针以及提前放电式避雷针，人们思考的是如何降低雷电流幅值和陡度或增大电场作用下的击穿距离，诸此的努力与争论，推动了防雷事业的进步，乃至今时绝缘防雷的提出，使人们一步一步接近雷电机理的真相。作为防雷实践，100个实验中哪怕有一次成功都是有积极意义的。多年的雷击灾情调查，似乎有一个事实验证消雷的可能，即高楼林立的城市落雷的次数远远小于城郊和乡村的落雷次数，这到底是各种各样的避雷针（带）释放大量的荷电离子构成了城市上空的屏蔽层还是城市的下垫面性质改变了地面的电荷结构而阻止了雷暴云先导的形成？另外，安装了多针导体消雷器的用户均反映听到的雷声没有以前的大，这是否是击距增大的缘故？片面的否定和绝对的肯定是对学术的扼杀。试电笔的设计，可以使人在试电时十分地安全，作为物质运动的雷电流就为什么不能加以限制。迷信了避雷针的引雷功能，缺乏破除迷信将引雷变为疏导和转化的勇气，防雷就会走进一条死胡同，避雷器毕竟解决不了落雷时的影响，等电位也解决不了落雷时的电磁场效应。我们可以看到许多露天的通讯设备天线或感应器上安装了一根避雷针，这到底是避雷还是引雷？如果是引雷，姑且不计较反击的效应，那么引下来的瞬态雷电流对周围空间感应出的能量是避雷器可以承受和化解的吗？避雷与引雷是一对矛盾，要避雷就得引雷，而引雷后最好是在需要保护的范围外将雷电能量消化掉。 4 防雷方法的辩证 防雷设计的依据是防雷规范，而规范的本身大同小异。GB50057基本上涵盖了从直击雷的防护到雷电波入侵的防护和雷电感应的防护，GB50343应该说又进了一步，综合了通讯、计算机网络的防雷设计技术要求，规范了信号网络与电源网络之间的距离并明细了接地方面的要求。但是，我们应该看到，GB50343中涉及的等电位措施以及SPD安装时的能量配合等很难放之四海而皆准。防雷是防直击雷为主还是防雷电波为主？目前，工程界似乎觉得直击雷的防护就如此这般，落雷了，不能100%的防护，大家在雷电波的防护方面来个层层设防，另外用等电位措施解决雷电感应等就可以了。事实呢？事实上，直击雷的防护搞不好，其他方面的雷电防护甚至成为摆设。笔者调查过几个遭受雷击的气象站，几级电源避雷器和信号避雷器都完好，就偏偏损坏了计算机系统或其它电子设备；当然也看到几处配电间被雷击起火。设防的阀型避雷器也被击得碎裂的情景，所以还是直击雷作祟。防汛抗洪，无论怎样筑堤修坝，最终还得弄清老天降水从何而来往何而去。防雷亦是如此，搞不懂雷电地闪的大致机理，搞防雷设计和做防雷工程，更多的就只能照本宣科和死搬硬套。例如，一栋高楼的某处机房远离接地点，就有部分工程者拉起了长长的引下线；在机房设置接地排，接地排面积多大，材料规格如何选择，接地排的作用到底是什么？规范上没说，也几乎没有人疑问。又比如，配电间在建筑物的左边，自然我们对雷电波的防护将从左至右，但恰恰建筑物右边近旁的树被雷击，很可能雷电波的传播就变成从右至左，怎么办？关键是做好直击雷的防护。通常的防雷电波入侵，由于雷电过电压波从着落点到建筑物的时间段，将经过多处泄放以及线路自身电感的阻尼作用，强度已大大减弱，大可不必如临大敌。刘继先生通过计算旧有木杆电源线路的最大雷电通流，认为当200kA的雷电流击于线路而传导建筑时，建筑物内的金属部件分流作用考虑60kA足够[5]，这仅仅是总量的30%，传导线路长，横担接地处数多，则30%不到，何况又有几个200kA。真正雷击损失大的，当属落雷于建筑物的情景。但如果直击雷防护做得好，使落雷点远离建筑物，雷电流通过多渠道的泄放且均匀地分布，雷击损失将降到更小。遗憾的是，我们在保护重要的卫星通讯设备时，只注意到用避雷针将天线控制在防雷保护的空间范围，很少考虑避雷针与天线的位置和距离；很多情况下考虑了信道的防雷，却没有想到室内的信号线在传载雷电波时可以串扰邻近的电源线或其它线路。 滚球法滚出个半径60、45、30米的防雷保护范围的方法，可是，根据击距R与雷电流I的关系式R≈9.4I2/3，对应滚球半径计算的避雷针有效保护最小雷电流为16.1kA、10.5kA、5.7kA，总感觉没有尽到保护的责任，为什么不用滚球半径30米的保护法来降低雷击概率？要知道，5.7kA的雷电流落在建筑物上，同样是kV级的高压，加上di/dt的作用，雷害依旧。一类建筑物的防雷有特殊性，用独立避雷针保护；二类、三类或高层建筑，尤其对建筑物内的电子设备而言，避雷网格的密度大一点，避雷针的保护范围更可靠一点，防雷的概率总该大一点。用滚球半径60米进行保护，如果小概率的落雷正好雷电流强度是10kA，岂不是变成100%的大概率事件？这方面，GB50057没考虑，GB50343也没考虑。对运动场所的防雷保护，人的生命第一，是30米的滚球保护接近人之本还是60米的滚球保护接近人之本。电子信息时代，不是更在乎建筑物电子信息系统的防雷吗。安装的雷电定位系统记录显示，雷电流强度小于10kA和接近5kA的不少。因此，低经济时代的成本原则已不适应经济高速发展的时代，防雷设计必须绕过这个弯，尽量减少绕击和侧击。 能不能100%解决雷害的问题，关键在于如何把将发生的雷电能量转移，空间和大地都可以消耗和承接转移的雷电能量。如果闪络仅仅出现在不影响建筑物的上空，闪络又为什么不可？接闪器应该考虑将强大的雷电能量在未到引下线之前消耗部分。对雷电波的阻截，尽量让其能量在建筑物外泄放掉，线路的埋地和接地是否具备耗损雷电波能量的功能？很多例子说明，当一个防雷区有雷电放电现象，其后续区的雷电侵入影响将减小。耐冲击电压水平目前是按6、4、2.5、1.5kV四个等级划分，而实际的敏感电子设备的耐冲击电压水平比0.5kV更低，防雷设计和工程比较完善的建筑信息系统在落雷时，有时只有MODEM被打坏，损坏的程度是肉眼看不出的，说明影响MODEM的雷电流很小，也未必是信号线引来的雷，要知道，连接MODEM的还有电源线。 一旦认为防雷就是这般，应该是对防雷认识不够的表现，防雷涉及到对雷电机理的认识，对高压电知识的了解，对电磁场知识的掌握，对接地布线的通盘考虑以及对建筑物结构和建筑物环境的熟悉等等。 不懂可以学，只怕“懂”了而拒绝学。防雷是在学习实践中发展和壮大。虞昊教授说得对，从《物理学》中找答案，数学是工程之母，物理是防雷之母。 参考文献： [1] 李文恩等译.雷电（下）。北京.水利电力出版社.1983.P393—394 [2] 王洪道等.雷电与人工引雷.上海.上海交通大学出版社.2000.P50 [3] 丘宏义译.物理与头脑相遇的地方.长春.长春出版社.2002.P91—94 [4] 解广润.避雷针一般应当停用.电气设计技术通讯.1982（1）.P259 [5] 刘继.论技术标准科学性…….现代防雷专辑.工科物理（1999副刊）.P8 | 
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发表于 2006-4-18 00:18:00
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