绝缘避雷的过去、现在及将来

souba

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。
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。

souba

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。

souba

大家想看到原文请http://www.bokee.net/bloggermodu ... wEntry.do?id=241238