防雷技术

防雷知识的层次性中国科学院电工研究所 马宏达摘 要：讨论防雷知识的层次性结构，举例说明了不同层次防雷知识产生误解原因。说明了人类社会思维的三个层次及现有科技理论的局限性，论证了开展防雷研究应注意的几项基本观点。关键词：雷电 防雷 雷电电磁脉冲防护(LEMP)认识论 辩证唯物论一、防雷是个边缘学科由于防雷的问题涉及到许多学科，如大气电学、电力科学、建筑科学和电信科学等。它是一门边缘学科，它的理论须要各界专家学者共同学习交流才能完善。1996年到1999年间北京地区一些防雷学者组织了防雷学术讨论会，开始于对消雷器看法的交流，后来转为对雷电电磁脉冲防护(LEMP)理论的学习。这些学术论文发表在《电网技术》和《工程物理》杂志上。没有各界专家共同的探讨谁也不敢说他对防雷看法是全面的。科学技术的健康发展须要不同学派之间的自由讨论和竞争，防雷技术的发展也是如此。防雷学术研讨会不能只有一个，防雷杂志不能仅有一种，要创建一种自由辩论的平台和机制，以保证百家争鸣方针政策的贯彻执行。但是不能把学术讨论与防雷规范的管理工作对立起来，国标规定的各种防雷规范都应按照执行，除非有关部门下令废止或暂时停止执行；但也要允许对即将颁发和现有的防雷规范发表不同意见。有关政策的问题这里只是提一下，不在本文深入讨论。二、防雷知识的层次性现代科学技术可以分为基础科学和技术科学两大类。基础科学研究自然界的基本规律，如物理学；物理学下面又分为声、光、热、电和原子学等分支学科；电磁学科内又分为静电学、直流电学、磁学、交流电磁学、电磁波和电磁流体力学等。技术科学研究和工程技术有关的自然规律，比如防雷技术科学。防雷技术科学又关系到大气物理学、电场学、介质物理学、高电压装置及其实验技术、地中电流和接地装置、电磁波和波动过程等；防雷技术是为电力系统、电信系统、建筑物和构筑物服务的，防雷技术工作人员还得学习相关服务部门的知识。由于现代科学分科很细，各门学科之间的语言概念往往有区别，容易产生误解；各门学科对事物的认知方法(如物理模型的选择等)不同，不同专业人员之间在概念和语言上不通，不能互译的情况很多，即使大家都讲同一个概念，实际上各自理锯也很不相同。这种情况是造成当前防雷学术交流的重大障碍，这次讨论会我提供了四篇报告，这篇是总论，谈哲学，其他三篇详细讨论三种理论误区的案例。古语说歧路亡羊，下面说明这三个案例是怎样陷入思维歧路的。1.案例——限流避雷针和消雷器[1]熟悉普通电工原理的人都知道霓虹灯用高电压供电，它的本体电压降很小而通过电流能力也很小，它是*霓虹灯变压器的内阻来限流的。有人用霓虹灯变压器的限流原理为限流避雷针和消雷器辩解。其实雷电的放电过程与电器中的导电过程完全不同，是不能类比的。在普通电路中电子的运动形式是电子在电场作用下的电子接力运动，而闪电通道中的电子运动主要是电子的贯穿运动，在主放电通道中先导流注与迎面流注相遇，正负离子交融产生高温等离子体通道，它有如悬挂着的鞭炮爆炸，闪电电流的脉冲波是由闪电通道中的离子流形成的。脉冲波后的余辉电流才是雷雨云中传来的电流。笔者在文[1]中已做了说明。主放电通道中的电压降是很小的5.5V/cm，而雷雨云的电压是很高的108V，所以避雷针和消雷器的限流说是不能成立的。有人说雷电是电荷源，主放电发生前可以这样说，但在主放电之后雷电就是一个电流源了，或者说是一个电流脉冲波。低电压下可以用电阻和电感限制电流；但是在高电压下是不能够限制电流的，是必然产生放电现象的。2.案例二——反击雷电流的方向及其防范方式的选择[2]从建筑物外面沿电气线路引入过电压波的防护用多级SPD消波，搞防雷设计的人都比较熟悉了；然而当雷击建筑物发生雷电反击现象时，LPZ1区内的电位随接地网的电位而整体抬高，反击雷电流将延接地导体向外扩散而不是向建筑物内部的电气线路扩散。LPZ1区内的震荡电流来源于电磁感应和电磁耦合，这一点IEC防雷标准并没有说明白；相反：IEC61312-3：2000，IDT《雷电电磁脉冲的防护，第三部分：对浪涌保护器的要求》文本中图B1，图B2，图B7，图B9，图B10都是讲的雷电流向外部其它建筑物和变压器扩散的情况。用架空线供电的建筑物在遭受雷击时容易产生扩大的雷击事故，这一点我国防雷工作者早有察觉。我国防雷学者是采用对进出线做屏蔽段来解决这一问题的。笔者介绍了清华大学朱德恒老师带领学生做的模拟试验和刘继先生在发电厂实测的反击雷电过电压，说明了用屏蔽电缆段和屏蔽铁管段防护进线雷电波与反击雷电波的原理。这些防雷作法有充分的实验根据和40余年的运行经验，而且写入了GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》第3.3.9条第二款第一项和第三款第一项条文之中。我国的这些先进的防雷理论应该写进防雷规范的第六章中，对有误导作用的规范条文应该进行修改。如果还有争议大家可以用实验来检验。我们要研究出适用于各种建筑物和对应于各种情况的最佳防雷方案。我认为将反击雷电流放入电网和相邻建筑物中去扩大雷击事故，不如把反击雷电流引入电缆外皮和屏蔽铁管使其入地更安全更合理。这一看法竟因为10/350μs波形的争议给冲淡了，笔者还是强调“一栋建筑物的雷电耗能渠道要设计好”的系统防雷、整体防雷的设计思想，因为雷电能量是不能自动消除的(建筑物固有电容在雷雨云感应下先期充电的电荷另做讨论)，只能把它散流入地，把它放到别处去闯祸不是好办法。3.案例三——绝缘避雷问题[3]有人提出“加在绝缘物两端的电压只是与绝缘物厚度相同的空气两端电压。只要绝缘物的耐压高于它两端的大气的击穿电压，绝缘物就不会被击穿。”有人提出“为什么不可以使整个地面做成高度绝缘的?如果把避雷针底座做成高度绝缘的，这种与地绝缘的避雷针实际上是拒雷针，对于智能大楼这是求之不得的!”这些谈论充分说明了某些人的理论认识与客观事实差距之大。高电压实验告诉我们，高电压脉冲作用于绝缘物上它的放电与否决定于沿面放电强度，而不是绝缘材料的厚度。我们进行琉璃瓦屋面的雷击模拟实验表明!雷击时屋面一片闪络火光?改角环氧树脂绝缘板再试依然产生沿面放电。大家可到北京科技馆去看，那里用有机玻璃板做的高电压实验，现场表演这种沿面放电的现象。1961年我们到一处高山雷达站做防雷调研：那是一座云雾山，山地表面有一层很薄的植被，植被下都是石头。山上有一处泉源，其水质与蒸馏水的电阻率相同。这种情况相当于“整个地面是高度绝缘的”，据当地战士讲雷击时山上地面一片火光，沿山上的架空线也有火球滚动。所以我们不能用常规低电压下的理论去推断高电压下的现象。我们对已知的科技理论适用条件必须保持清醒头脑，对它的局限性有所警惕。遇到防雷的新课题首先要做调查研究，做模拟实验，千万不要简单地用自己熟悉的某一原理、或某一公式去套。不合实际的理论往往害人，我们有深刻的教训。三、思维的三个层次人的思维认知过程可以分为感性、知性和理性三个层次，科技知识是属于知性范畴的而不是属于理性范畴的。因为现代科技知识都是针对某事某一方面加以分析深入钻研的结果，它必然有某些局限性；而客观事物是复杂的，它往往取决于许多因素。研究物理问题人们必须借助于模型，然后运用形式逻辑进行推导。形式逻辑推导出来的结果是属于知性的认识，它还不是理性的认识。理性的认识要运用辩证逻辑，辩证逻辑要求整体地、发展地和全面地反映事物。“我们不会完全地做到这一点，但是，全面性这一要求可以使我们防止犯错误和防止僵化”。列宁的上述讲话和邓小平的“摸着石头过河”的讲话都提醒我们要注意实践，认识的逐步深入也只有*反复地研究实践。现在我国防雷学界因为对理论的认识不同发生一些争论，这是正常现象。大家要以包容和团结的精神，以事实求真的精神，通过讨论达成一致，还可以通过试验达成一致。如果个人意见不被多数人采纳，而个人又认为是对的、有根有据的，可以继续坚持。这就是老话说的“有容乃大，无欲则刚”。我们的学术批评应该是实话实说的、建设性的和讨论性的。笔者努力做到学术批评的正确方向，也曾向这些老师和朋友致意，希望大家不要伤感情。感谢这些老师和朋友的宽宏大度，笔者论述中的错误敬祈各位不吝赐正。另外还有不正当的商业炒做干扰我们的学术交流，对此我们要提高警惕，尽量避免才是。四、结论1.学习科技理论要知道它的局限性，即它的使用条件。不要不顾客观事物变化而盲目推理；2.防雷是门边缘学科，学习防雷要特别注意调查研究和做试验研究；3.培养防雷接班人要注意实验能力和创新能力的培养，要提倡独立思考和实事求是的作风；4.智能大楼的防雷要重视我国学者提出的“三道防线(或称三个防雷子系统)[4]”和“六项设计因素[5]”的思想。参考文献[1] 马宏达，论我国消雷器和避雷针研究的误区，防雷世界，2003年第11期，55-58页；[2] 马宏达，再论外部防雷和内部防雷的区别，见本文集；[3] 马宏达，关于绝缘避雷问题的讨论，见本文集；[4] 许颖，微波通信站的防雷保护，《微波通信站的防雷保护研讨会讲义》，电力部电力科学研究院，北京，1994年5月，1-5页；[5] 王时煦，马宏达，陈首新，《建筑物防雷设计》(第二版)，中国建筑工业出版社，1985年11月，59-61页。