理性地看待防雷

通天雷神

理性地看待防雷

2007-4-20 11:50:29

对于防雷深层次的研究，笔者基本上是门外汉，但由于接触防雷和亲历防雷实践15年，感受还是颇为深刻的。笔者1991年开始涉足防雷检测，1993年安装了中光首批电源避雷器和武汉高压所的4台导体消雷器，后陆续设计或指导过不同场合的防雷装置，近年来从事防雷行政管理和设计地方防雷行政许可等。一方面看到防雷成为一项事业既有其现实和深远的意义，另一方面又认为防雷的深度发展推动了人们对自然界、物理世界的辨析。结合气象部门的业务，如人工影响天气、雷电预报和预警、暴雨以及中小尺度灾害性天气的预报，这些基本上是建立在对雷暴云团的认识上，雷电防护体系的建立和完善，也许能够推进上述业务的进步，而并不是单纯的建筑物或电子信息系统的防雷。   1 雷击个例的是与非 笔者设计和安装过多处防雷装置，至今没有雷击记录，这并不是自己的防雷设计水平有多高，而主要是想说明雷击的概率本来就低，一年、几年或更长的时间不遭受雷击也不能完全说明问题。2006年11月，我们在湘潭县水厂安装一套无锡产自动气象站，自动站由直立的10米风杆和避雷针装置以及数据采集器等组成。当年月底，发生“雷打冬”，自动站所在地的水厂部分电脑、电视机等被雷打坏（据水厂反映，此为雷区，几乎每年都发生因雷电引起的断电、跳闸等现象），但自动气象站运行完好。据此，是不是说自动站的防雷设计就十分完美？不是，因为自动站的供电是太阳能转换的直流系统，电网内传播的雷电波无法侵入到自动站；如果雷电直接落到自动站系统，结果就难以预料了。事实上，部分与农电网相接的自动站被雷击的概率大许多。这引发一个议题：如何分析雷电事故的“路”与“场”？举个例子，笔者居住区的计算机网络在一次雷声后瘫痪，经查，位于家属区的交换机损坏。关于交换机损坏原因的分析，更多的是倾向于雷电波通过网络线侵入到交换机。对此，笔者却提出反问，网络线与业务平台主交换机联系在一起，机房网络与电信的通道是光缆，为什么主交换机没有损坏？况且，家属区内也只有少部分家用计算机网络卡打坏，这又是为什么?也就是说，交换机和网卡被雷击并不一定是网络线传载了雷电，也许是电源线。雷击的原因可以说既复杂又不复杂，不外乎雷电流的直接入侵或雷电流变化引起的磁场变化以及雷电辐射场形成的电场变化所造成的影响。当然，要分析和弄清这些原因需要一些物理知识和电路及元器件知识。有次我们台站的EN风记录器受雷击停止工作，经测试，雷击只造成电源保险丝和内电源变压器损坏，说明变压器的隔直作用阻挡了雷电流的继续侵入。遗憾的是，我们过多的是局限在“直接雷没法防，感应雷防不住，防雷只能减少雷害而不能消灭雷害，防雷不能做到100％”的思维怪圈里，搬出球雷、绕击等似是而非的理论根据。2002年7月某日，本地的一段高压线被雷击掉在380伏供电线路上，造成两个村配电间起火，部分技术人员认为是侧击雷击坏绝缘串。笔者查阅相关资料，被解释为“逆闪烙”——沿铁塔泄流的高电位向绝缘串闪烙。2006年某月，宁乡县某银行住宅楼被雷击，而该楼位于两侧避雷针的保护范围，且自身还有避雷带，目击者称雷直接击在窗栏上，窗框被烧红；还有一次，本局观测站值班室的接地处（两个接地扁钢没有连接）出现电火花（没有造成事故），同时有人看到房顶的避雷针被雷击得通明透亮，但雷击后并没有发现避雷针外观的任何异常（闪烙痕迹）。诸此种种，不完全是缺乏认识，而更多的还是认识误区，还有肉眼的视觉幻象和误差。再拿“手机引雷”而言，笔者一直主张，既不赞同手机引雷一说，也不赞同雷雨天可以放心打手机。试设想一下，手机接收的本来就是电波，信号原本就是电流的转化，雷电的闪击，无论从频率范围还是电磁场都是宽泛的，手机难道不会接收雷电信号？本人愚钝地认为，部分专家只注重用本专业的眼光，过于在自己熟悉的领域分析问题。这方面，笔者非常崇敬虞昊教授，尊重科学，勇于修正自己的观点，发掘更深的东西。

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2 有关接地电阻的话题

1993年，笔者第一次应客户要求为一个厂家变电站设计消雷器，当时的确很茫然，市场上最红火的是半导体消雷器，但我却选择了导体消雷器，为什么呢？一是因为半导体消雷器对接地电阻有要求，而导体消雷器对接地电阻没有严格的要求；二是假如消雷器没有“宣传单”上宣传的效果，导体针还有最起码的避雷针作用。因此，本人认为接地电阻不是唯一或主要的指标却又是必须的。仍拿自动气象站的防雷来说，现阶段的大量电子设备满足了接地电阻的要求却避免不了雷害。象我们在水厂安装的自动站，引下线紧贴风杆引到接地体，因此，引下线与空心金属风杆内的数据线平行，也与安装在风杆上的设备机箱靠近，考虑到金属空心杆和机箱的屏蔽作用，引下线泄流形成的电场效应就算可以忽略，由此而产生的磁场作用却依旧存在。对一根引下线而言，任意高度的电位，哪怕接地电阻为0，引下线自身在瞬间电流通过时的感抗还是相当高。笔者测量一根0．5米短导线的电阻时，发现直流电阻只有零点几欧，而瞬态电阻则达1000多欧，仅此，就可估算出距地高度0．5米以上高度引下线在传载瞬间雷电流时的电位在1000×1×10³伏以上（雷电流一般在20kA以上）。当时就认为引下线是多余且有害的，在后来的自动站安装中，主要利用金属风杆自身作引下线，并认为圆柱的金属杆无论在雷电流分布的均匀性还是电感等方面都要优于截面积小得多的单独引下线。

小的接地电阻，更多的是使接地点接近大地的零电位，加快安全泄流，笔者则觉得在强大的雷电流情况下意义不大。目前的等电位措施执行的较好，反击的事故报道不多，雷电事故的存在，有可能对雷电流分布研究得不够，等电位连接线并不完全没有电流流过，某种情形下，等电位连接线说不定成为某个设备或元器件间耦合的桥梁。关于接地电阻的大小和接地布局的关系是继续和深入的课题，即接地点在地面和地下的位置和距离、接地网的面积、接地线的走向、汇流排的位置等都是值得研究的，接地不能离开电场和磁场影响仅考虑恒源电路中的电阻大小。

我们在日常检测中，判断防雷装置的合格与否，不完全取决接地电阻的大小，作为防雷体系，接地电阻的大小只是一个方面。现实中，建筑质量监督站把防雷作为电气的一个部分，合格的好坏只看接地体某点的电阻大小，大大淡化了雷电防护的要求。防雷中心的接地测试虽然关注到建筑整体钢筋结构和引下线的对地电阻及电气连接，却由于检测规范的缺失，没能根据接地电阻评估雷电时的电磁环境和雷电风险，有将接地电阻值的大小作为判断标准的行为。

 

3        如何看待防雷

根据笔者的认识，防雷不是发不发展的问题，而是必须的问题。毫无疑问，雷电灾害是自然灾害，消灭和减少灾害是人类社会的天职，要消灭雷电灾害，就需要人类去认识和实践。目前，越来越多的人投入到防雷活动中来，这本身是值得庆贺的。也是由于防雷实践，笔者逐步认识了电、电场和电路以及电路元件等，旁门别类，哪怕是肤浅，也使我们从懵懂到稍许清醒。比如电流是电荷的变化；电阻是电子在导体或半导体、绝缘体运动中的碰撞与摩擦。依此，如何理解空间场电荷的分布和运动很有必要。做好防雷，不是照搬规范，而是科学地运用规范条文里内在的精神。比如，GB50057所定义的“独立避雷针要与相关被保护物保持一定的距离”的条款不能只套用在第一类建筑物，应考虑到避雷针接闪后的场效应以及由此带来的后果；等电位措施的实质是什么？解决的是什么问题？GB50057规定了防直接雷和防雷电波入侵，但电气设计中很少设计避雷器，等电位措施或接地电阻的大小一般都是用文字提一下，建筑物的防雷似乎只是避雷带或避雷针的位置。与个别电气工程师交谈，问及为什么，更多的回答是认为避雷器的参数不确定，很难选型；谈到防雷效果时，几乎没有肯定的回答。多年来，雷灾被认为是不可抗拒的天灾，GB50057条文解释的第一条就指出：“按照本规范设计的防雷装置的防雷安全度不是100％”。随着防雷实践的深入，愚认为这些提法必须修改，凡经过设计和检测的防雷装置必须保证雷害控制在很小的范围，不然，会使得“伪防雷”盛行。笔者调查发现，不良的防雷设计是造成大雷电事故的主要原因，不良的防雷设计不但不防雷，反而引入雷电，确实是“引狼入室”。

现今的防雷挑战了传统的防雷三大领域——电力、电信、建筑，不同技术派别开始纷争。笔者印象深刻的就是20世纪90年代的那场关于消雷器的争论，孰是孰非并没有最后的结论。普遍的看法是，随着城市高层建筑的增多，雷击概率增大。而笔者却持不同观点，因为，雷击多发生在城市与农村的交接区域，闪击还是以高压线路为主要对象，伤人事故地点更多的是低洼的开阔地，雷电感应波的载体主要是电力线和与之耦合的通讯线。那么，城市水泥建筑群是否有一定的屏蔽效应呢？由此想到“绝缘防雷”的提法，存在就有它合理的一面，完全的否认也是不科学的。根据“击距和电场畸变原理”以及雷电先导理论，如果在地面某处采用绝缘方法阻挡荷电堆积或阻碍电荷的移动，先导改变原先的方向并非不能。笔者的感觉是，在普遍否认消雷器的作用后，“滚球法”和“等电位”似乎成了防雷技术的不二法则，遗憾的是，处于全保护的液化汽金属罐也有被雷击的报道。如何融合当今的防雷技术，的确需要防雷界的前辈和精英摒弃个人己见，探寻防雷良法。

防雷必须有序，防雷的法制化管理是社会发展的必然。《中国气象事业发展战略研究》集合了39位院士和300多位教授、专家的智慧，其中将防雷确定为气象业务轨道，全面启动了雷电研究及其雷电预报预警和雷电防护技术服务等，这实质上是防雷的集约，由此对防雷的推动是肯定的。每当人类接近自然奥秘的过程中，付出了千辛万苦和许多财物是避免不了的，我们不必为此唏嘘，“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。所幸，气象部门在担负这个责任，同时也在责难中推动防雷事业的发展。在一次行政许可工作协调会上，笔者曾就防雷的管理权归属问题提到两点：一、按照规范设计的防雷工程为什么总免不了雷击？二、国家为什么要把防雷的管理职能放在气象部门？前一问题说的是事实，后一问题讲的是“法定”。这恐怕不完全是部门的利益化问题。笔者参与的防雷检测实践中，尽管检测的手段还显得落后，却实实在在地发现许多建（构）筑物的防雷装置的引下线虚设，计算机房的接地线紊乱等等。

通天雷神

4 什么是防雷技术 我辈来谈防雷技术有些自不量力，因为防雷涉及的学科较多，从笔者的感性看，做好防雷，至少要懂得电工原理、电路原理、电磁场理论、接地与屏蔽技术等，最关键的是有良好的物理素养，当然，雷电生成与演变机理等的知识都是不可或缺的。防雷不应理解为防雷装置的工程设计，更不能理解为简单的接地，那种只将雷电能量快速引下地的方案可以说是“治表不治里”的做法。我们仔细研究或琢磨一下现行任何一部防雷规范的条文解释，就会发现有些内在的技术精神没有被灵活运用：比如，关于雷电电位U＝I·R+Lo·h·di／dt的定义，仅仅在接地电阻R上来考虑降低U，肯定在实践中会碰到接地环境和接地极材料的难题，如果换个思路，考虑将雷电流I分流，使I减小，U就可以降低许多。雷电的能量太大，估计人们还不能正面抵御，解决防雷的根本还是“躲”和“疏”，即一方面尽可能将雷电引开，另一方面将雷电能量分散。从电磁场的角度分析，分散和对称的雷电流可以相互抵消电磁场强度；引下线的均等分布、均压环的设置、接地极环绕建筑物的做法体现了这些精神。长期来，根据规范进行防雷设计通常是在“路”的基础上考虑雷电的效应，这样，防雷技术的体现首先就是围绕如何降低“路”上的雷电电位，由此就是怎样降低接地电阻和搞好“等电位”。基于“路”，防直击雷以不同形式的避雷针为主，防感应雷则以避雷器为主，要使避雷针和避雷器发挥作用，小的接地电阻就成了至关重要的指标，只有低的接地电阻，才能迅速地将雷电能量导入地下。然而，从物理原理分析，“路”是基于“场”的，雷电能量的大小与雷电流成正比，而雷电流的大小和存在的形式依赖于电场和磁场的变化，没有“场”就没有“路”。其一，雷电的形成取决大气电场，云与地以及云地间的空间媒介构成复杂的电场，地面电场与云体电场的耦合、空气的导电等促使荷电子自上而下或自下而上运动，不然的话，无论云中的电荷累积到什么程度，也不能发生闪击（地闪）。其二，“场”无处无时不在，虽然雷雨天气改变了晴天电场的性质，导致明显的雷电路径，但雷电路径在改变着周围“场”的同时又被“场”制约，因为地物结构不受雷电路径的影响，通俗地讲，就是有些地方容易遭雷击，有些地方却具有天然的拒雷功能。因此，认识“场”和适当改变“场”更重要，在“场”的概念中去改变“路”。也许，防雷技术最终将体现在设法抑制雷电的“场”。对于被避雷针系统保护的建筑物，外墙敷设的多根对称引下线既可抵消建筑物内的电场强度又可抵消磁场强度。IEC62305-4附录A评估电磁环境的基础时提到：雷电流及其产生的磁场是主要危害源。在认识雷电磁场的危害上，从笔者实践过程的体会，感觉是模糊的。规范中表述的磁场强度是点电源强度和距离的函数，很容易与电场强度的大小等同来考虑，而实际的磁场是闭合的，防范雷电磁场的影响就复杂许多，例如，位于空心金属体内的线缆可以避免外电场的影响却无法避免外磁场的影响。为了减少雷电磁场对电子设备的侵害，防雷规范主要采取在各个防雷界面减少雷电能量和增大设备与可能雷电源距离的措施，这就涉及到不同性能参数的SPD的使用——即能量配合，要实现合理的配合，不仅需要知道设备实际耐压水平，还必须了解雷电侵入途径和能量的大小，还有波形、波速等，在此基础上，在进行前级、后级SPD的雷电能量计算或估算。根据GB50343电子信息系统电源设备耐压所规定的6、4、2．5、1．5kV四个额定值等级，在实践中很可能是后三级，大多数情况是UPS与信息设备处在同一房间，即第二级与第四级在特定的物理场内；在郊外，电源线、通讯线直接架空进入建筑物。此种情况，就涉及到灵活运用GB50057和GB50343的条款问题。目前，部分设计院或防雷公司所设计的防雷工程基本没有计算SPD能量的配合，更多的防雷设计是在不同防雷区域的界面按放电强度使用SPD。 防雷技术原本是复杂且精密的，其所包含的学科内容超过非雷电环境下的电磁兼容设计内容，感到遗憾的是，我们的防雷更多的还是在电子设备的外围进行“堵截”，没能结合设备的使用性能和周围物理场来考虑如何消除和减少雷电效应。长期的防雷实践，愚认为有以下几点可以引起我们的关注：地线回路对的电路的影响；线缆与设备接口的输入端与输出端的形式、距离的影响；电路板在机箱内的位置、与金属机箱的绝缘情况、接地回路的面积的影响等等。由浅到深，由表及里，认真思考，总感到防雷应该做到100％或至少接近100％。试想，一个做好防雷的工程最后被雷电破坏得一塌糊涂，难道还怪老天爷吗？防雷设计应该遵循防雷设计规范，“无规矩不得方圆”，仅以建筑物防雷来说，GB50057和GB50343并不存在哪部更适应的问题，一部是针对建筑物的，一部是针对建筑物电子信息系统的，从字面上就可以看到其内在的区别，设计时如何取舍？共性的与个性的条文如何运用？这需要设计人员根据建筑物的性质来决定，我们不能将思维定格在“一、二、三类建（构）筑物防雷”上。使用“规范”，条文很重要，但条文的解释更重要，不能机械地搬弄条文，条文之间的逻辑关系还是要搞清楚。   5未尽的话题     阅读过防雷前辈的文章，经历了一些防雷的实践，自我感到基础知识的浅薄，同时对“防雷不能做到100％”说法越来越认为不符合现代防雷的精神。文中提到“伪防雷”，就是对“防雷不能做到100％”的批判，因为存在的雷电事故可以在“不能100％”的前提下化解一切法律责任。为什么要防雷，如上述所说，减少或消灭自然灾害是人类的天职，也是当今构建和谐社会的需要，和谐社会离不开与自然的和谐。我们应该正视防雷的现实，任何个人、任何部门不能以已见而概全。由于条件限制和个人水平有限，关于防雷总不能说出个“子丑寅夘”，但通过交流还是能促进自己。 “百花齐放，百家争鸣”的学术风气应该提倡，因为真理总在争辩和探索中发现。

湘潭市气象局 陈春元  《中国防雷》

通天雷神

陈春元哥哥好观点！

尤其最后一段。

crazy

同时对“防雷不能做到100％”说法越来越认为不符合现代防雷的精神。文中提到“伪防雷”，就是对“防雷不能做到100％”的批判，因为存在的雷电事故可以在“不能100％”的前提下化解一切法律责任。

说的好.长见识.

通天雷神

呵呵。感谢观看。这个其实看看有好处。陈大哥一般不乱说话。

大胡子

严重同意!

蘅芷清芬

文章好观点，赞一个先！

防雷问题上的100%这个概念，在我看来就和“你今天出门会不会被汽车撞了”或者“49金是不是纯金”的问题一样。其实没什么好争的。说实际点，其实就是在甲方愿意花多少钱的前提下，给他提供尽可能完善的保护。如果认为甲方出的价过高或者过低，要引导其合理消费。就是这么简单，说白了，良心问题。

crazy

以下是引用通天雷神在2007-4-25 17:30:00的发言：
呵呵。感谢观看。这个其实看看有好处。陈大哥一般不乱说话。

偶不说没人知道我不懂,一说就都晓得偶什么都不懂了,哈哈.

"知知为知知,不知为不知,是知也."

通天雷神

那是。没有人说你不懂啊。看都看会了。