绝缘避雷的过去、现在及将来

绕击避雷针

空军装备研究院航空气象研究所防雷中心主任 江明礼 1、绝缘避雷是我们祖先的伟大发明 据台湾大学物理系主任林清凉博士和中国科学院戴念祖研究员合编的《电磁学》一书中介绍，我们祖先在防雷方面有两大贡献：一是引雷入地，二是绝缘避雷。 关于引雷入地，书中说到，300多年以前，来华传教士、葡萄牙人安文思(1609～1677)在《中国的十二大奇迹》一书中叙述了中国建筑特点和渊源。他说，屋顶脊吻龙上的金属条一端插入地里，这样，当闪电落在屋上或皇宫时，闪电就被龙舌引向金属条通路，并且直奔地下消散，因而不致伤害任何人。他的记述比美国的富兰克林在1752年提出用避雷针保护建筑物的建议要早一个世纪。 关于绝缘避雷，《电磁学》中写到，山西应县木塔建于1056年，高67米，其中铁刹长14.2l米，塔刹分别用8条铁链系于各屋脊端加以固定。这一建筑历经近千年，但未被雷电烧毁。近年的研究表明，该塔是建于周围绝缘极好的地基之上，具有“绝缘避雷”的机制。 2004年，中国气象局防雷工程专家王雪森高工到浙江宁波的天童禅寺，发现该寺也是采用的绝缘避雷。随后清华大学的虞昊教授闻讯立即赶去观察，进一步证实处于高雷区的这一千年古寺具有绝缘避雷机制。王雪森先生多次提到，四川自贡盐井的木塔架高数十米，经历数百年不是也没被雷击坏吗?目前，我只知道这三处古建筑有绝缘避雷的机制。 有些防雷专家反对绝缘避雷，不承认那些有千年实践检验的绝缘避雷的机制。相反，却把古建筑物遭雷击的责任，统统算在绝缘避雷的帐上。我们说古建筑防雷有三种情况，一种是引雷入地，一种是绝缘避雷，还有一种可能是什么措施也没采取。因此不能把古建筑的防雷和绝缘避雷划等号。还有一点要说明，现代人在古建筑物内装设电灯电话，砍伐附近高大的树木等破坏了原有的防雷机制，由此遭受雷击就更不奇怪了。 2005年春节前，中国气象局防雷委员会召集在京委员和一些防雷专家开会，会上有人用河北定兴古塔没有装避雷针而遭雷击的事例来说明绝缘避雷行不通，对此我有两点质疑：一是该塔是砖结构的，谁曾勘测得出它是绝缘避雷的机制?砖是绝缘材料吗?二是雷从上面打下来打在塔底的一个金属构架上入地。显然这个金属构架是后置的。它肯定破坏了原有的避雷机制。怎么能把该古塔遭雷击作为典型事例来否定绝缘避雷呢?这是否有些太牵强附会呢? 我们一再强调：“古建筑的防雷≠绝缘避雷!”既然那些从来不承认我们祖先发明了绝缘避雷的人，怎么当古建筑物遭雷击的时候，却都归咎于绝缘避雷的错而加以批判呢?请问，这应用的是什么逻辑? 2、现代的绝缘避雷正处于“论战和应用并举的阶段” 反对绝缘避雷者的主要观点是认为：雷击避雷针、地物和防雷装置上的电压高达107-108伏。假如这一结论成立，则会出现许多不可思议的现象： (1)雷电流将超过世界所有的书中所说的最大电流。因为避雷针对地电阻一般不超过10欧，如果107-108伏电压加上去，则电流应该是 106-107安培，也就是说是1000kA～10000kA，请问世界上有这么大的雷电流吗？ (2)装有避雷针的建筑物内的人们将有生命危险。如果避雷针距楼内人群的直线距离按50米计算，每米空气的击穿电压按300万伏计算，中间包括墙壁和空气，那么在107-108伏的高电压下，楼内所有的人都会有生命危险。 (3)被雷击致死的人将尸骨无存。如果雷击人体的电压高达107-108伏，那么死者不可能有完整的尸体，不会像现在大多数尸体那样只是脚上穿一个小孔或只是部分衣服烧毁。 总之，那种说雷击避雷针或地物的电压高达107-108伏的说法，既无理论根据亦无实践支持，以此作为否定绝缘避雷的前提，是否合适呢? 人们接着会问，那你说雷击地面物体或避雷针上的电压是多少? 我认为先应看一看落地雷的雷击过程。 在几平方公里或几十平方公里的雷雨云下，有众多的向下延伸的成树枝状的电荷群。受雷雨云的感应，在地面物体会出现异性电荷向上发展成为数以万计的成珊瑚状高低不等的电荷群。这个电荷群就形成了地面的电屏蔽层。根据大气物理所孙景群先生编的“大气电学手册”和国内外大量电场测试仪的实测资料，近地面的电场强度一般不超过20kV/m，这时加在20米高避雷针上的电压，绝不会超过20kV/m×20m=400kV；而加在2m高的人体上的电压不会超过20kV/m×2m=40kV(由于避雷针和人体的介入，该处的电场强度要远小于此值)这是雷击发生前的情况。当上下先导距离足够近时，它们两点之间可能出现 107-108伏的高电压，就会击穿空气，形成雷击，产生60V/cm左右的电弧通道。这里要特别注意两点：一是 107-108伏的电压是加在上下先导之间的高空的，并不是加在地物上的。第二 107-108伏的高压在击穿空气时就会立即消失，变换成为弧光通道的大电流。这时加在20米避雷针的电压应该不超过60kV/cm×20m=120000V。 上面我阐述的观点和计算的数值与雷击地面发生的现象可能是比较吻合的。是否正确还请大家发表意见，哪怕认为我的观点是一个大笑话而加以批评纠正，我也欢迎。终究真理是愈辩愈明的。 反对绝缘避雷者的另外一个原因是没有弄清绝缘避雷与绝缘抗雷两者的区别。没从根本上弄清绝缘避雷的特殊涵义。他们认为“绝缘避雷是用绝缘材料挡住雷电，是串联电路的概念”。这种绝缘避雷的概念确实站不住脚，我也赞成批判。不过说清楚，这是他们所谓的“绝缘避雷”概念。 我们反复强调，绝缘避雷也是利用国内外防雷界公认的“雷电总是从电阻最小处入地”的原理，只不过富兰克林用的是电阻最小来引雷入地；而我们应用的是电阻最大来躲避雷击。该原理表明，雷电选择什么通道入地或者说袭击什么目标，是在比较中产生的，在几平方公里到几十平方公里的雷雨云下有数以万计的目标可供选择，谁的电阻小就袭击谁。相反，谁的电阻大就不袭击谁。如果雷电不袭击电阻小的而去袭击绝缘电阻大的目标，那么富兰克林的避雷针也就失去作用了。用电荷面密度和电场强度来解释绝缘避雷也一样，用绝缘材料覆盖被保护物，使其面密度、电场强度减少，同样也能减少雷击概率。 绝缘避雷发挥作用主要是在雷电发生前的形成阶段。目的是在雷雨云来临时，阻止地面感应电荷通过绝缘材料形成上行先导，以达到躲避雷击的目的。因此它可以说是避免雷击的“预防”措施，而不是在雷击发生时去阻挡雷击。这两个阶段的性质完全不同，对绝缘材料的要求悬殊也很大，这与预防疾病和治疗疾病的区别有相似之处。绝缘避雷绝不是要用绝缘物去抗击雷击，更不可能放在高空中去阻挡上下先导之间雷击的发生，有人说我们做的试验是雷击选择性的试验，“不是绝缘避雷的原理试验。绝缘避雷的实验应该把雷电脉冲电压直接连接在绝缘物上。这种绝缘物的脉冲电压实验是我们取得绝缘物安全隔离距离数据的重要手段。”显然他说的是一般绝缘物的耐压试验，根本不是绝缘避雷原理的试验，也谈不上是雷击试验。绝缘避雷的试验就是要做雷电的选择性实验，因为这是雷电与一般高压电路最重要的区别之一。把雷电脉冲(按反对者的观点是107-108伏)加在避雷装置上做试验既无可能，也无必要。请问先生在防雷装置上做过这种试验吗?107-108伏的高压又是从那里找来的呢?当然谈绝缘避雷也必须给出绝缘物的绝缘电阻值和和耐压值，要根据需要和可能以及经济效益等综合因素来考虑。一定要和雷击地物的值基本吻合才行。绝缘避雷是有条件的，绝不是万能的。全国著名防雷专家刘继教授曾说绝缘避雷在一些特定条件和特定环境下是可行的。他曾多次提出让我把金属杆的伞改为绝缘材料的伞，以减少雷击的伤亡。 反对绝缘避雷者还认为：雷电总是要入地的，绝缘避雷没有接地怎么能行呢?弄清了上述问题，这个问题自然就很好解释了，在用绝缘避雷保护的物体周围有数以万计的目标可供入地。正因为用绝缘避雷保护的物体没有入地通道，电阻很大，才起到了躲避雷电袭击的作用。正因为它有不接地的突出特点，因此才会有广阔的应用前景。 谈到绝缘避雷原理的实际应用，有两个重要事例必须谈到：一个是中科院庄洪春发明的等离子避雷装置，一个是本人发明的雷电防护鞋和雷电防护衣。 等离子避雷装置能及时准确地产生与天上雷雨云相同极性电荷，以抵消原有的感应电荷，从而达到削弱原有电场，起到躲避雷电袭击的目的。这一奇思妙想非常有意思，其创新原理也是完全站得住脚的。该装置在强雷的西双版纳设置了10个点进行了为期一年的实践，效果明显。全国著名的防雷理论专家、清华大学物理系的虞昊教授主持了鉴定会，随后这一成果又在汉城国际博览会上获得了联合国颁发的特别金奖。 本人研制的雷电防护鞋和人体雷电防护衣均已获得国家知识产权局颁发的实用新型专利证书。为了证明绝缘避雷的可行性，我们曾在地凯公司1200kV直流高压下进行了试验。为了获得高绝缘电阻和高耐压的橡胶，我们用两年左右的时间首先研制了多种纳米材料制成的橡胶添加剂，并进行了小批量防雷鞋的试生产。该产品经过国家劳动保护用品质量监督检验中心和北京雷电防护装置检测中心的严格检测，绝缘电阻高达200GΩ，耐压超过15000伏。 2005年2月，由虞昊教授编写、清华大学出版社出版的《现代防雷技术基础》(第二版)问世。书中第217页指出，若人站在地面上遭雷击，必是人体把地面各处的感应电荷集中到人身上，人身上最尖处首先发出了迎面先导。如果人的双脚穿上绝缘良好的鞋，人与导电的地表面是被绝缘物隔离的，则人体的任何部位的电荷面密度均大大降低，绝不可能从人体发出迎面先导。这种绝缘鞋的效果究竟如何，我们期待实践的检验。 3、绝缘避雷前途无量 绝缘避雷既是古老的，又是现代的。无论是它的理论或者它的应用，均有广泛的发展空间，我想至少在以下三方面是大有可为的。 一是人体的雷电保护。我们强调以人为本，在防雷界应该更多关注人体的雷电保护。2004年全国雷灾死亡人数高达770人。绝大多数都是青壮年劳动力，可以想象会给多少家庭带来悲伤和损失。用绝缘避雷的思想并研制更多的人体的雷电保护用具，如雷电防护伞、雷电保护帐篷、再加上推广防雷鞋，防雷衣，肯定能避免或减少人员的伤亡。这应该是科技造福人类的创举。 二是建筑材料和建筑物的防雷将有新的发展。尤其是绝缘材料，如高绝缘的橡胶卷材、避雷雨亭等。我不反对装避雷针、避雷带，但是一定要考虑到把雷引下来对电子设备的影响。根据区域防雷思想并考虑周围的环境，有不少建筑物完全是可以用绝缘材料覆盖的，它既可避免直接雷击又能减少感应雷击对电子设备的损害。 三是电子设备的防雷，特别是高山的无线电基站、雷达站等。这些地方敷设地线困难，花费也很大。绝缘避雷可能发挥较大作用，在这里有两点要强调：一是通信设备并不一定要接大地。我们飞机上的通信设备就没有接大地。二是天线是可以用绝缘物覆盖的，不少高山雷达站的防风罩就用的是玻璃钢，我们很多沿海的无线电天线，雷达天线都涂有绝缘漆，它并不会影响天线的发射与接收的效能。至于电源线和信号线的不接地问题，可以用隔离变压器和光电隔离器予以解决。天线铁塔引雷也可用聚甲醛或玻璃钢等绝缘材料制成。这些新措施采取后，无线电基站遭雷击的事故肯定会显著减少。 现在人们对“绝缘避雷”持有不同意见甚至争论，这是难免的，只要争论有助于促进我们事业的发展，又有什么不好呢?