建立正确的雷电物理概念

welcomespd

摘 要：主张“绝缘避雷”的学者误解了雷电流形成的物理过程。文章讨论了这一误解的内涵及其危害性。 关键词：建筑物防雷 绝缘避雷 雷电流 等离子避雷 前 言 我国建筑物防雷事业得到空前的发展，使我们感到非常地高兴；但是各种错误的防雷“新假说”和“新思考”误导了我国某些防雷研究，其结果使我们的建筑物招致一些不应有的雷电事故、造成雷击隐患和产生巨大的浪费。各种非常规避雷针在国际防雷学界受到批评和否定，却在我国得到推广和采用，老专家说这些是“高价”避雷针，可谓一语见的。现在又出现了“绝缘避雷”的谬论。我们要宣传正确的防雷理论，批评错误的理论，这难免要伤害一些人的感情。如果我们大家都以国家和人民的利益为重，错误的认识可以改正，就不会太在意某些人的感情了，还是我国建筑物防雷工作的健康进展重要。笔者从雷电的基本理论概念作一些通俗讲解，希望有助于正确防雷理论的宣传；本人观点如有错误欢迎大家批评指正。 1 雷电流形成的物理过程 雷雨云对地的放电通常是[1]：由微弱的电离通道(称为先导流注)从雷雨云向下发展开始，这一阶段称为“先导放电”。先导流注像一条软管向下伸延，先导流注的核心直径约为1cm，其周边带电囊直径为几米到几十米，在其下端有一个电晕球。在先导流注的带电囊和电晕球中储存着大量与雷雨云相同符号的电荷，其囊电荷密度约为几十μC／m3，沿闪电通道所带电量约为几个mC／m3，见图1。 图1 云地闪电的发展过程 先导流注向下的平均发展速度为 105m／s，先导流注头部发展到距地面几十至百余米时感应地面突出物上产生强烈的异号电荷的电晕放电并形成向上发展的放电通道，后者称为“迎面流注”，迎面流注的发展速度为 107m／s。先导流注与迎面流注相遇时形成“主放电”，这时正负带电离子强烈的复合产生几万摄氏度的高温，发出强光和爆鸣，并产生强烈的电磁波辐射。主放电的发展速度为1／2～1／3光速，见图2。 图2 闪电通道中主放电的发展 主放电过程中闪电通道中的纵向电压降从100V／cm迅速降为5．5V／cm。它是从电晕放电、辉光放电到电弧放电迅速变化的过程(突变)[2]，其过程时间为微秒级。迎面流注与下行先导流注相遇时产生离子复合，形成电流扰动。同向电流线受电磁力作用向中心压缩，形成麻花形的收缩效应(pinch effect)，如图2所示，从电荷囊的下端向上形成弧光放电的突变过程。 在高电压工程的教科书中对雷电流的形成机制已经做了明确地描述，“主放电最重要的特征是在主放电时通过被击物流过的电流。…流过的电流决定于积聚在先导中多余电荷的中和速度。设以υ表示主放电的速度，σ表示通道中电荷的线密度(即单位长度上的电荷)，那么就可写出下列关系式表示主放电的电流I=συ。当主放电完成以后，云中的剩余电荷沿着导电的通道开始流向大地，这些电荷的移动也在雷击处造成一定的电流。现有的雷电流示波图表明：在大多数情况下，雷电流是由两部分组成的——波幅很大的暂时高峰，和数值极小的持续电流(图3)。”[3] 图3 雷电流的典型示波图[3] 1——主放电所产生的波幅很大的雷电流高峰； 2——相当于云中的残余电荷向大地流动数值不大的持续电流。 “图3电流的第1部分相当于主放电的扩展，第2部分相当于云中残余电荷经过主放电形成的通道向大地的流动。因此，云并没有直接参与雷电电流的主要急流的形成，这一急流的波幅仅由通道内的过程决定。由图3可知，雷电电流是随时间而变化的，因此，我们应该假定，或者是主放电的速度υ在变，或者是被中和的电荷的密度σ在变；或者二者同时在变。解释最大点之后电流的骤降是相当简单的。用旋转照相机的研究确定了：主放电速度随着它由大地向云中推进的程度而减小。这是非常自然的，因为它通过的是通道的越来越‘老’的部分，在这些部分里复合大大地减小了等离子体的电导。此外，通道上部的电荷密度显然比中部的及下部的电荷密度都小，因为通道对地的电容随高度而减小。因此随着主放电的推进，在通道的上部乘积συ渐渐减小。”[3] И．С.СТЕКОЛЪНИКОВ假定[4]：主放电渐渐地获得速度，以至前部υ是增长的，用此来解释雷电电流曲线开始的一部分即前部电流的增加；也可以假定：由于扩散的关系，在相当广阔的区域内分布着的电荷首先是由通道轴心开始中和，以有限的速度向四周扩展。究竟偏重两种假定中的那一种，目前还是困难的，但乘积συ起初增加，随后减小是很明显的。 笔者大段地抄录了文献[3]的有关部分，是因为许多人忽略了这一部分，没有真正地理解雷电电流的形成机制。文献[5]对这一部分做了通俗地说明，但是还不够明确；笔者试图加以补充和更正。它[5]说：“这里有两个物理实质需要明确。第一，闪电放电，…这一导电过程是电子导电性质，所以传播速度极快。这种电流既有电子的直接运动产生的宏观电流；也有一部分是电子的接力运动所产生的电流，后者的速度基本上接近电磁场的传播速度。…第二，闪电过程中的放电从宏观上说，…是负电荷分布在很长的范围：在几公里长的闪电通道与云的一部分区域…中分布的，所以与一般电工电路里的电容器放电有相当大差别，…”。这里“电子直接运动产生的宏观电流”就是指图3中标号1的雷电流高峰；“电子接力运动所产生的电流”就是标号2的数值不大的持续电流。标号1的电流脉冲是由储存在先导通道中的负电荷变成的冲击放电电流，它有如水坝发生跨塌事件时储存的水所形成的洪水脉冲；也可以想象为雪崩所形成的泥石流脉冲，这里是电子崩形成的冲击电流。标号2的雷电续流部分可以比拟于导体中电子的导电过程。 物理学者为了突出雷电流脉冲波的实质特征，采用电流源的模型来描述它，而且这是有充分根据的。И．С.СТЕКОЛЪНИКОВ在他的书[4]中曾明确地指出，“高速旋转照相机给出非常令人信服的资料，按记录可以确定：在各种不同时间间隔(从几百至几万微秒)的各种闪电脉冲的流动中，显然，电场变化过程代表云地间电荷量的变化。这些数据证明，放电过程的长度与土壤电阻率无关(所有情况下没有单值关系)的假设是成立的”。即是说，雷电流的波形与土壤电阻率无关，也与接地电阻的大小无关。 土壤电阻率发生突变地方的边界上和接地电阻值低的地方容易产生迎面先导流注，那里的雷击率高，这是雷击选择性的问题，它不应与雷电流的波形形成机制混为一谈。文献[6]宣称“落地雷的强弱与感应电荷的数量密切相关，…显然主放电决定于地面的感应电荷的数量，接地工程越庞大，落地雷越强。…其结果是增多了落地雷的数量和雷电流的强度”，这种观点是错误的。等离子避雷是等离子隐形技术应用在防雷上的一种探索。它与避雷针的防雷原理是一个道理，都是人为地控制地面电场的分布，达到截击闪电或减少雷击的目的。等离子避雷技术能不能成功要看它今后的发展，即与现有的常规防雷技术做技术和经济性能比较，我们希望它有自己特殊的用场；但是“绝缘避雷”却是一种错误的有害的假说，我们必须给予批评。 2 “绝缘避雷”观点的错误 我们知道，一次闪电放电总的能量并不大，不过几十千瓦时，但是它的瞬时功率很大，达到10亿千瓦时，在这样高功率能量的作用下，许多物质的性能发生了变化。高电压脉冲放电实验表明：在短间隙的放电实验中，击穿距离与放电电压成正比例的关系增长；在长间隙的放电实验中这种线性增长的关系变了，击穿距离的增长变大，而且有异常放电现象发生。在长间隙放电实验中击穿距离与雷电流不是函数相关而是统计相关；在电气材料的使用中，沿面放电电压与放电距离的关系更重要。在低电压下可以用电阻和电感限制脉冲电流；在雷击情况下，就不能用电阻和电感限制雷电流。因为，在高功率能量作用下电阻和电感材料的沿面发生了放电现象。中国科技馆绝缘台的充电表演说明该绝缘材料能够耐受高电压，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；在雷击的高电压下该绝缘台上的人就要有生命的危险。1957年7月6日北京市郊十三陵长陵的棱恩殿遭受雷击，闪电落在西侧兽头上，雷电劈裂横梁和楠木柱子，并击倒4人，*门处一位老人当即死亡。这样的雷击事故每年都有发生，怎么能说“绝缘避雷”呢? 有人曾经提出“在建筑物实行等电位连接的情况下，可以放大其接地电阻的规定”，笔者对此观点提出过批评，认为不能随便这样说[7]。防雷的理论基础是安全地引雷入地。一栋建筑物的雷电耗能渠道要设计好，其接地电阻值不宜太大，要防止雷电流向电源系统反灌的危险。文献[8]详实地介绍了美国防雷学者针对IEC的雷电流在住宅电气线路中分流的假设和模型进行了检验和分析。试验表明：住宅雷电流的分配与其附近处和远方的接地情况有关，IEC61312-1防雷规范规定防雷接地和电气线路各按50％分流，这一假设是不能普遍成立的。该文提供了在大值接地电阻(建筑物防雷接地电阻为1550Ω，室内电气重复接地电阻值为590Ω，供电变压器处接地电阻值为250Ω)情况下的试验结果，表明住宅电气线路中将流过(80～100)％的雷电流。它充分说明建筑物的防雷与飞机的防雷条件不同，后者是孤立系统，而前者是与地面电力系统相连的非孤立系统。住宅的接地网有等电位连接(共地)的情况下其接地电阻值也不能过大，试验表明接地电阻值过大时雷电流将沿电气线路扩散，使事故范围扩大。它证明了我们的主张是对的。现代建筑物都必须有供电和通信设施，它们的远方接地是不可避免的，即使建筑物是坐落在高度绝缘的巨型台面上，这些远方接地也使“绝缘避雷”的设想归于破灭。“绝缘避雷”、消雷和许多非常规避雷针的理论都建立在对雷电过程的错误理解上。这些错误的理论使我国浪费了大量的人力和物力，做了无效功。许多科技先进国家都不承认这些错误的理论。 主张“绝缘避雷”的学者提示我们，并排两个杆子放在模拟雷电先导下进行放电实验，雷击总是击中金属杆子；而不对绝缘杆子放电。他们称这就是“绝缘避雷”原理的证明。这种认识是错误的，这个实验是雷击选择性规律的实验，而不是物体雷击模拟的实验(即不是“绝缘避雷”原理的实验)。“绝缘避雷”的实验应该把雷击脉冲电压直接连接在绝缘物上。这种绝缘物的脉冲放电实验是我们取得绝缘物安全隔离距离数据的重要手段。高电压学者对于这种实验应该很熟悉。那种混淆雷击选择性规律实验与物体雷击模拟实验的认识犯了偷换概念的错误。 “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”[9]。这些错误的论断正是消雷学派的迷茫的根源。我们说，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。后者是雷击选择性的问题，它不应与雷电流的波形形成机制混为一谈。 “绝缘避雷”观点可能误导人们的防雷举措，从而造成危害；与富兰克林同时代的科学家黎赫曼，他在做避雷针实验时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，北京市有大量的古代建筑物的雷击事故记录，这些都说明“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。 3 结论 “绝缘避雷”不是科学的理论，而是引起误解的说法。 参考文献 [1] P．Hasse，J．Wiesinger，handbuch für Blitzschutz und Erdung，3 Auflage， VDE-Ver1ag．Berlin， 1989,52-57 [2] 孙景群编著，《大气电学基础》，北京：气象出版社，1998，152 [3] 苏联Л.И．西洛琴斯基著，蒋德福 李家训翻译，《高电压工程》，第一卷，北京：电力工业出版社，1956.111-112 [4] И．С.СТЕКОЛЪНИКОВ，ΦИЗИКАМОНИИиГРОЗОЗАЩИТА，Москва，1943，131-138 [5] 虞昊，藏庚媛等编著，《现代防雷技术基础》，北京：清华大学出版社，1995，124 [6] 虞昊，用避雷针还是用等离子避雷技术，中国雷电与防护，2004，(4)，45-47 [7] 马宏达，建筑物防雷的变与不变，CHINA防雷，2002，(8)，24-25 [8] 黄智慧，陈绿文，通过火箭人工引雷对住宅楼防雷系统进行直接雷击试验，雷电防护与标准化，2004，(4)，4-15 [9] 虞昊，“接地电阻”的定义科学吗?，CHINA防雷．2004．（4）．68

fanglei5

此篇文章转：防雷资讯网-专题报道 http://www.e-engineer.com.cn/report/ 版权属于防雷资讯网和原作者。谢谢！