关于消雷器等的争论之我见

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关于消雷器等的争论之我见 上海台风研究所 郭昌明 "Times New Roman"">在我国，消雷器之争始于上世纪的七十年代末八十年代初。断断续续，几经起伏。最近一次，已是本世纪的事了。今后，还会有大的争论吗？ 对此，分析一下它的产生根源，讨论一下我们面临的局面，澄清一些问题，提出一些看法仍是有益的。我的结论是，如果进行认真的学术讨论，那么历史的情况不应再发生。可以负责任地说，现有的所谓消雷器及提前放电避雷针都是没科学根据的，当然也就起不到所提作用！下面简述一下这种情况的历史根源及简要分析讨论得出以上结论的根据。 1．为什么会有争论？ 　　首先，近代人类在防雷方面，虽有长足进展，但迄今没有万能的特效药。雷害仍然年复一年的发生。人们对有一种比避雷针更好的解决雷害的愿望是十分迫切和自然的。它始终激励人们去寻找一种比避雷针更好，更彻底解决问题的方法。在人们认识有误和一些难以避免的有意无意误导的情况下，消雷器及各式“新”型避雷器应运而生，也成为必然。情况类似于人类碰到一些“不治之症”时，会有各种各样的“灵丹妙药”出现的情景。例如，直到上世纪前半叶，肺结核还使人束手无策，各种偏方盛行。而，一旦有了特效药，今日人们已不对它谈虎色变了，各种偏方自然消失了。经验告诉人们，进行科学探索的重要，不然会徒劳无功。各种在防雷上的“灵丹妙药”的出现和能够占领一些市场的认识和方法上的一个根源，与此类似。 其次，由于雷电过程尚不能在实验室全面而完整地复现，对它的认识主要是通过遥感测量获得的。因而，对有关室内的物理模拟实验结果，在应用时必须十分小心。实际上，仍有不少工程界人士，习惯于把室内结果直接引用到防雷上。不少人认为，“标准”、“规范”定出的雷电，或对应的发生器给出的就是雷电了。经过这种考验的器件一定没问题。防雷问题以此为基础，往往是事倍功半，甚至会是徒劳无益的。这一点，对于室外防雷尤需注意。回顾一下各种防雷装置昙花一现的历史事实会是很有教益的。 再有，如需用实际运行情况来验证某防雷手段的有效性，往往因为雷击本身的小概率性，加上其变化范围很大，而难以用实测或统计其效果来进行。其结果是实际上还没有真正意义上的有效论证。不少厂家提出了，用了它的产品后多少个“台年”，结果没遭雷击或少遭雷击了。在有关文献上，也往往有这种记载。其实，这是一种似是而非的误导。按这种做法，人们也可以说，没有任何避雷装置的几亿座农舍该是有十分优良的防雷性能的，因为它的遭击率极低！有的厂家提供雷害保险作为该产品防雷有效的另一种提法，这又是一种利用雷害小概率性，说产品有效的误导广告。对于其产品防雷性能，提出无法严格证明的超过现有产品性能的指标，甚至提出是国际领先的产品。这更是非常不严肃的低级手段。似乎既然无法肯定，也成了一种肯定的办法。 以上，我们列举了一些认识上的问题，它导致讨论进入过误区。它们可能与雷电过程研究上的特殊困难有关？对有些做法，是否是认识上的问题，可以讨论，但我们姑且把它们放在认识的范畴，以提醒人们运用正确的认识和方法。 其他，诸如出自商业利益以及个人权威的因素等等，在此，没必要讨论。要特别指出的是，对于涉及生命、财产安全的产品，应该严肃认真，科学地对待，不应该让它们随意流入市场，危害社会。难道防雷产业不存在伪科学，不需要打假了吗？！ 2． 正确讨论的基础是什么？ 　　任何一种产品的效果和功能，一定要经过严格的科学论证及实践检验。 所谓科学论证，不外乎利用人类已知的理论来讨论，包括利用一定的数学手段，当然，不能与之矛盾。人类历史上有过的“永动机”之争即其一例。因此，在讨论防雷产品时，就不得不在雷电环境下讨论，如果不是雷电过程，那这种防雷产品与防雷其实是无关的。如果过程与雷电过程相矛盾，就更没意义了。 其次，防雷产品应在雷击环境下进行考验，以实证其效能。由于实际雷击很少，因而，这种方法既费时，又费钱。各种替代方法或简化的实验就会出现。必须十分小心地对待其结论，以免出错。 任何一种防雷设想，如果通不过上述任一关，那么它就不能提供良好的防雷功能。。 为进行理论分析，应该首先对雷电本身有统一的认识。一切讨论应在这基础上进行。雷电过程不是可以随心所欲地描写的，它有其必经的物理过程。 当前，我们能统一的看法如下： 对地闪电，通常是负的地闪，即先由云内发生一些预击穿过程，进而，形成向下间断推进的，伴有分叉，长度为数十米的向下梯级先导。云中负电荷沿这先导通道逐渐自持下移。它是雷云中起电达到一定程度后的产物，与地面情况无直接关系。只是因为大地的存在，而有向地倾向。在离地较高时，根本无法知道最终的击地点。当先导离地百米左右时，可导致地面某些地方产生向上的反向引面先导，开始了所谓的连接过程。当引面先导之一与下行梯级先导相连接时，产生了十分强烈的进一步电离的向上回击过程。强电流脉冲由此产生。放电的云中起始点到雷击点的垂直距离可达数公里，而水平距离更可超过十公里。因此，预测雷击点是徒劳的。 人类观测到的所有下行负地闪，无一例外地要经过上述过程。任何一个室外防雷装置都要面临这过程的考验。 3．对各式“消雷器”的否定 让我们用上述过程，来看看各种“消雷器”的功能。 最初，“消雷器”出自美国。但是，经过实验，分析及使用中的多次遭击，已在上世纪六、七十年代被国外淘汰。原始厂商的提法是一个多针接闪系统可以产生成倍多的尖端放电电流，可以中和雷云中的电荷，从而抑制了雷电的产生，使本该发生的雷电由尖端放电来顶替了。但是，实验与理论分析都说明，相互很靠近的多尖端与单尖端相比，当雷云靠近时，由于其附近电场更大，单尖端一定先放电，并且始终比多尖端产生更大的电流。所以，如果讨论中和，单尖端效果该优于多尖端。实际上，在高塔频频遭击后，这种消雷器不得不被拆除。 在国内，有一阵有人声称测到很大的尖端电流，但结果说明都是错误的。有人进而又提出，尖端放电产生的空间电荷可以阻止先导的穿透，或起屏蔽作用，防止引面先导的产生。然而，简单的对先导电荷的估算说明空间电荷密度不足以阻挡先导的穿透，也不可能起什么屏蔽作用。 近来，“中和”、“屏蔽”论者已基本销声匿迹。在这里顺带补充一点。其实，自然界不乏尖端放电。雷电本身是在地面许多自然尖端放电存在的情况下，发生的。如果没有自然尖端已提供的“中和”作用，自然雷电数量将成倍增加。即，自然界已有强大的消雷作用。加入任何可行的地面人工尖端的作用，仅仅是在其附近改变已有尖端电流的分布，不会改变总的尖端电流，也就没有任何消雷作用。 到了上世纪九十年代中期，“半导体消雷器”的发明者对其“发明”的同一装置又提出，确实无法中和雷电，也无法防止雷击。但是，它仍可以“消雷”。不过此“消”该为“削”，即把强电流脉冲，变为小而慢的电流。它是一种特殊的避雷针，可改变电流的特征。小而慢的电流，流入大地，将没有避雷针的强电磁辐射，强电场的可能破坏效应。似乎十分理想。遗憾的是，如果用前述雷电过程来检验，就可发现，削弱电流的设想，忘掉了必然会有的雷电连接过程。连接过程的特点是，有一上行先导。是它先与下行的梯级先导连接，导致十分强烈的回击发生。此时，该处电流已陡增，电位也陡增。在这种情况下，用人工半导体高阻阻止电流陡增是徒劳的。没有一个人工电阻可抵御如此高的电位差（100兆伏！）。结果必然是要么该半导体针被击毁，要么产生表面闪络，或者附近空气被击穿，走其他路径入地。几年前的广东野外试验中，仅有的几次雷击半导体消雷器，至少说明了当电流为16 千安以上时，消雷器无法有什么削减电流作用。我们知道，大部分雷电流都超过这值。显然，所谓的“半导体消雷器”只不过是一种画蛇添足的避雷针系统罢了。 4．对提前放电避雷针的否定 　　上世纪八十年代末、九十年代初，以法国一些厂家为代表的所谓提前流光发射（ESE）避雷针开始进入国内。它的“机理”是，适时产生一脉冲场，使ESE针比同高度的避雷针早几十微秒发生上行先导。如果，这先导以每微秒一米的速度向上推进，那么等于把避雷针的有效高度提高了数十米。产品主要来自法国、瑞士、及澳大利亚。果真如此，可大大减低避雷针的高度，还可减少侧击、绕击率，当然十分诱人。这些厂商曾多次力图把ESE列入IEC和美国NFPA的标准。为此国际上做过不少专门的工作。结果是迄今没被IEC及NFPA接受。这里，简要地归纳如下： a．先导自持行进需要在其附近空间存在一定强度的电场，否则会自动熄灭。如果观察梯级先导，可发现它像树根一样成叉，但其大多数都没接地，而都自行中断熄灭。这些都是电场无力支持其自持推进的必然结果。任何一个现存的ESE系统都只说到可以提供避雷针附近一个瞬间的脉冲附加场，人们做不到在相当的时间范围内，提高相当空间范围的场。这样，ESE针只能发生瞬时小放电，不能自持推进，它也就达不到设想的要求。果然，迄今，所有的野外实测均证明了这种推测。有美国人曾对不同直径的单针及ESE针做过近十年的野外对比试验，其结果是雷只打在一般的单针上，同高ESE针从未遭击！顺便提一下，他们的结果还指出直径在20 毫米左右的单针，最易遭雷击！ b． 没有任何实测数据说明，在先导起始时，它的推进速度是每微秒一米。有人测得只有每微秒一厘米。这样，所谓的提前放电就没任何实际意义了。 c． 实际上，每一梯级先导都有一更快的引路先导脉冲。它本身就是一个十分强的自然提前放电脉冲。因此，如果再人工加上一个脉冲场，成了多余了。 d． 厂商所提供的鉴定条件与雷云下的实际场和先导临近时的场及其变化均有很大差别。它能否改善真正防雷也就成了问题。 5．结论 （1） 雷电过程是在太阳提供辐射能，而使云发展的必然结果。在可见的将来，人们无法消灭它。 （2） 如果有可能阻止被保护系统产生上行连接先导，就有可能防止该被保护系统受雷击。但是，雷击还是会击中附近别处，它并没被消除。而，要使被保护系统不产生上行先导，就要使这系统各处的电场，在先导临近时都低于一定值。如果这并不是件不可能的事，也是一件难以实际作到的事。迄今，没有真正成功的个例。 （3） 雷电的电能储存在云中和先导通道中，其产生的强电场将击穿并电离阻止其通过的 各种实际介质。想用人工加高电阻的办法是行不通的，得不到削弱电流的目的。 （4） 由于雷电过程的尺度很大，并且变化多端，目前没有实验室能做室外防雷装置的完整而充分的试验，从而对防雷装置的功能得到什么肯定的结论。而，通过已知的雷电过程来分析有关装置防雷功能，是一种科学，而且简便易行的方法。 （5） 从雷电过程出发，可以肯定，现有的各式金属或半导体消雷器，ESE避雷针对改善防雷没任何作用。它们仍是一种常规避雷系统。应该严格要求设计、施工及使用部门，坚守国家标准。目前，这种随意和无序十分有害，已经被国内、外一些厂商利用。这种情况使人想起“皇帝的新衣”来！可悲的是有一些防雷指导管理部门也在其中，起到了难以估量的消极作用。 （6） 对已投入运行的各式非标准防雷装置，如果认为必要（本人认为已无必要）可以在财力许可的条件下，作严格而科学、客观的调研及分析。今后对任何新防雷产品，应该先作真正客观科学的论证或试验。否则，不得投入市场.