西洋避雷针，科学还是谬误？

kkwind

摘要：目前在中国防雷产品市场上销售的各式各样的新型避雷针在功能上并不比普通避雷针有任何优点，相反与普通避雷针一样，具有引雷导致强烈电磁幅射干扰的缺点。这些避雷针及其所起草的技术标准为国际学术界完全拒绝。 　　关键词：避雷针，ESE，提前放电，抡先先导 　　近二十年来，在我国的防雷产品市场上，充斥着大量的洋避雷针。从上世纪早期的放射源避雷针，到1980年代的大气高脉冲电压避雷针（Atmospheric high pulse voltage lightning conductor），到1990年代的Franklin避雷针、Saint Elmo避雷针，以至现在的各种型号的主动式提前放电避雷针等等。中国一下子成为西洋避雷针的大展台和大市场。这些五花八门的洋避雷针，虽然结构和外形各式各样，但奇怪的是其厂家都热衷于声称自已的产品具有“提前放电”，或“主动式放电”，或“早期放电”的优越性能，它们都满足法国的国家防雷标准NF C 17-102，也都具有完全相同的保护半径计算公式。可是，究竟这些舶来品品质上到底如何呢？它真的如其宣传所说，比普通避雷针有很大的优点吗？在我们仔细研究了它们提供的宣传资料之后，就可发现，原来它们的作用，与一根普通金属避雷针并没有什么两样！ 避雷针是Franklin于1753年发明的。它就是一根简单的安装在高层建筑物上的金属针，称为接闪器，再加上引下线和接地极，就成为一套完整的防护直击雷的装置。200多年来避雷针有效地保护了各种建筑物和工业设施，减少了雷害事故的发生和伤害事故，为人类作出了巨大的贡献。 避雷针的防雷原理就在于它能接闪雷电流，并顺利地将其引导进入大地，而保护它下面的或它周围的建筑物不受雷击。避雷针泄放雷电流时，在其周围将产生强烈的电磁幅射干扰。在以前，或者说对于普通的建筑物，机器，或人类，这种电磁幅射不会带来显著的危害。因此人们以前对它的这个缺点也不在意。 可是到了现代社会的今天，计算机和其它精密仪器设备在各行各业的大量应用，情况就不同了。在这些精密仪器设备中，存在大量的微电子器件，特别是计算机芯片。在这些芯片中，集成着大量的微小的电子元件，它们很小，它们之间的绝缘也十分微弱。它们工作在几伏的低电压下。避雷针引导雷电流产生的强烈电磁幅射将在这些电子器件的回路中感应生成过电压，这种过电压将有极大的可能性击穿集成电路芯片中元件之间的绝缘，摧毁这些芯片，造成对这些精密仪器设备的不可弥补的损坏。因此，到了现代社会的今天，避雷针的这个缺点就突现出来并越来越为人们所重视。 洋避雷针与普通避雷针的比较 　　洋避雷针与普通避雷针一样，要接闪，要引雷。那在引雷之后，在雷电流来临时，它还是不可避免地会产生强烈的电磁幅射干扰。照样要危及计算机等各种精密弱电设备的安全。在这一点上，它们具有与普通避雷针一样的缺点，而不会比普通避雷针有任何优点。 洋避雷针的“提前放电”是怎么一回事 　　洋避雷针的制造人声称，它们的洋避雷针的优点主要有两个，一是它可以“主动放电”，或“提前放电”，或“早期放电”。即是说，他们的洋避雷针比普通避雷针具有更好的引雷性能。二是将它的提前放电时间换算成提前放电距离后，相当于增加了避雷针的高度，从而可以增大保护半径。 那就让我们从原理、试验室试验和大气观测三方面来分析其中道理。 3．1关于吸收和储存大气电场能量 　　谋提前放电避雷针(简称Y产品)的原理描述中这样写道： “当风暴降临时，装置通过底部电极吸收大气电场中能量并储存于其内部的电子线路，当电荷充电到一定程度时，通过其上部电极放电，在其尖端周围形成强的云层电荷相反的离子层。……易敌雷的这种强的电离放电产生向上的发射的提前先导……。” 需要指出，大气静电场的能量密度是很低的。例如，在雷击即将发生前的电场强度40kV/m时，空间大气电场的能量密度仅为4′ 10-9焦尔/cm3。我们知道，一个金属物体放入静电场中时，将使原有的电场畸变。并且，由于金属的导电性和表面的等位性，在金属体内的电场强度恒等于零。要想借助Y产品的底部电极，在被动的没有外力做功的条件下，吸收大气静电场的能量并将其储存起来，积累到所需要的数量，并不断地利用这个能量产生火花放电，从原理上说，是不成立的，不可能的。如果我们能设计出一种机械，或一种电子线路，在外力不做功的条件下，吸收静电场能量并将其浓缩和储存起来，用于实际，那无异于制造了一台永动机。致于要借助这个储存的能量，产生向上先导，更是无稽之谈。 原理描述中还提到： “当其电子装置中的充电电场梯度，即dv（电场变化量）/dt（时间间隔）达到某一定比率时，电离放电并形成向上先导，……‘引雷’是有条件的，在dv/dt达到某个确定比例才发生，此时的电场强度达到400-500kV/m。” 在这里，《原理说明》将dv/dt说成是电场梯度，这是概念上的或本质上的错误。dv/dt不是电场梯度，而是电压随时间的变化率，它不是能量，不能“充电”入某个电子装置。 《原理说明》说的引雷时的条件是“电场强度达到400?/FONT>500kV/m”。试问，是哪里的电场达到这个值？需要指出，空间电场强度远未达到这个数值之前，雷电放电就形成了。Y产品要等到这个电场强度到达时再动作，能行吗？《原理说明》缺乏起码的大气放电知识。 3．2关于抡先时间的试验 　　《原理说明》定义的“启动抡先时间D T”为： D T=TSR-TESE TSR与TESE 分别为普通避雷针和Y产品防雷器的“上行先导电荷连续传播的平均时间”。在这里，《原理说明》所要说的是Y产品防雷器比普通避雷针的“上行先导电荷连续传播的平均时间”短，这个短的时间差就是所谓的“抡先时间”。 这里《原理说明》所用的术语多么别扭，不仅一般的用户看不懂，就是专业人员也感到纳闷和新奇。直到阅读了它的全部试验资料才知，其实，所谓“上行先导电荷连续传播时间”， 用专业术语说，就是冲击放电的击穿时间(time to breakdown)。 那让我们进一步分析Y产品厂家的有关“先导抡先时间”的试验中的问题吧。 3．2．1先导和流柱的混淆 　　《原理说明》4.1.2节“在实验室对Y产品进行D T测试”中对试验是这样描述的：防雷器与避雷针的安装高度为1米，电极板的高度为2.05米。那么试验（放电）间隙的大小仅为1.05米。从高电压的专业知识来说，1米间隙的冲击放电是属于流柱(streamer)放电的范畴，还不足以产生先导(leader)放电。那又谈什么先导抡先和先导抡先时间呢？以这样的装置来模拟大气中的放电，相差太远了，根本得不到正确的结论。 3．2．2冲击放电的伏秒特性 从高电压的专业知识来说，表征冲击放电击穿时间与放电电压的关系的伏秒特性不仅取决于放电间隙的长短、电极形状和布置等因素，还决定于所加电压的极性、波形和幅值。在间隙距离和电压参数相同的条件下，电极越尖，电场越不均匀，击穿时间越小。实际大气雷云与防雷器之间的间隙以1000米数量级计，雷云的尺寸也是以1000米计。在这种情况下，Y产品与普通避雷针在电极形状特征和结构上的差异相对于大气电场和雷云尺寸来说将不存在。因为在大气电场的超长间隙的情况下，它们都属于极不均匀电场，其伏秒特性，即击穿时间将趋于接近，根本谈不上有什么放电时间的抡先。 3．2．3电压波形和幅值对击穿时间的影响 　　为了获得伏秒特性上的差异，从而得到想要的“抡先时间”，Y产品的试验者选取了不同于雷电冲击波波形的操作（过电压）冲击电压波形，其波头时间为325m S（标准雷电冲击电压波为1.2/50m S）。所试电压幅值为900kV，此电压比1米间隙的放电电压大得多。此电压是以什么标准确定的也不得而知。需要指出，要想得到多少“抡先时间”都可。只要改变所试电压的波形和幅值就能办到。Y产品厂家有意地和人为地“试验”出了所需要的数量级为几十微秒的“抡先时间”，以此标榜Y产品比普通避雷针的优点，实际上毫无科学意义。 3.3 Y产品的保护半径 Y产品保护半径的计算公式是根据雷击的电气椉负瓮夹渭扑愕摹２还?胫诓煌?氖牵?饫锟悸橇怂?缴闲邢鹊嫉穆障染嗬?FONT FACE="Symbol">D L， D L=VD T，V为先导的传播速度 ，保护半径RP为： 这个公式中的第一项，与我国的建筑物防雷设计规范GB50057棗94的计算公式一样。公式中的第二项，D L(2D+D L)，则是Y产品防雷器所特有的，是源于所谓上行先导的抡先距离，使保护范围增大。前已讨论过了，先导的抡先时间，完全靠人为的试验得到，要多大有多大。以此得到的保护范围的增大又有何实际的意义？ 需要指出，按滚球法计算保护范围时当避雷针的高度达到一定程度以后，再增加高度并不会增大保护半径。 3.4 Y产品缺乏实际的运行统计资料和大气观测数据 Y产品防雷器的运行实效如何？有无大气观测数据？不得而知。特别是它在法国本土的推广和运行情况，没有任何介绍。 在Y产品的资料附录中笔者看到了一份《美国佛罗里达Camp Blanding 真实雷击实验报告》。但并没有找到Y产品与普通避雷针的任何对比性试验资料，也没有找到测量和记录到的任何有价值的数据，因此没有任何证明Y产品防雷器的性能会比避雷针更好的内容。 需要指出的是，此报告明确注明，“按试验合同的条款，在CEA（法国原子能协会）以外引用此报告中的任何内容都是被严格限制的”。这进一步表明这个报告是没有实际的参考价值的。但到了咱们中国，这些对Y产品不利的注明都不存在了。 3．5 西洋避雷针的笑话 　　笔者愿意再写几句话，让读者享受一下某款 “主动式早期放电避雷针”的彩色宣传资料中的笑话。虽然这种避雷针在结构上与Y产品没有任何相似之处，但它的厂家仍然宣传它具有“主动早期放电”功能，并满足“国际标准NF C17-102”。这里厂家玩了一个天大的骗术，因为NF C17-102只是法国起草而未获得国际学术界批准和任何国家认可的标准，却被西班牙推崇为“国际标准”。 在其宣传资料中，有这么一段话：“每当雷闪发生前，电场强度会迅速增大，激发器与反射器之间的电位差基本上就相当于雷云与大地之间的电位差。”从图上看，这种防雷器的激发器与反射器之间的距离只不过几毫米，它有什么功能能产生并承受“相当于雷云与大地之间的电位差”？众所周知，在雷暴前雷云与大地之间的电位差有几千千伏或更高，它那小小的几毫米间隙能承受这个电位差吗？这么大的电位差又是如何产生出来的呢？真是吹牛吹漏了底。 还有，在它的《保护区域计算方法》中，其保护半径公式是完全照抄Y产品的保护半径公式，但因水平太差，公式也给抄错了两处。 真可怜，要想来我们中国赚钱，又没有多少货真价实的东西。更可惜的是咱们中国，还居然让人把钱给赚走。 国际学术界对洋避雷针的评价 　　国际学术界对以法国为首的洋避雷针，和其提出的相应标准草案持完全否定的态度。17位属于ICLP（International Conference on Lightning Protection，国际防雷保护会议）的科学委员会成员的科学家，签发了一个联合声明，反对ESE避雷针技术。这些科学家代表了15个国家，包括美国、日本、英国、和12个大陆欧洲国家。请读者参考笔者译《全世界反对ESE 避雷针》一文（http://bbs.kbte.cn/thread-2048-1-1.html)，这里就不再赘述。 目前在我国防雷产品市场上销售的各式各样的洋避雷针，除了外观上加工得比较美观、新奇以外，在防雷功能上比较普通避雷针没有任何优点，相反它们与普通避雷针一样，在接闪引导雷电流后，会产生强烈的电磁幅射干扰，对以大规模集成电路芯片为核心的精密仪器设备具有极大的危害性。 在相同接地网（极）和引下线的情况下，一根等高的普通金属针作接闪器与一支昂贵的洋避雷针作接闪器可以得到同样的保护效果和保护半径。