防雷技术

再论“绝缘避雷”不可行


摘 要：“绝缘避雷”是一个模糊而错误的概念，分析了几个有关的误解，说明了其所以错误的道理。

关键词：建筑物防雷 绝缘避雷


《防雷世界》2004年第6期刊登文章[1][2]，对笔者“关于绝缘避雷问题的讨论”[3]一文表示疑问和异议，又有文[4]再次提出“绝缘避雷”问题。对此方家光教授已经撰文[5]给予澄清，我表示完全赞成。为了补充有关资料，笔者写出本文作为答辩，欢迎读者讨论和批评。

一、雷击下物体所承受的电压是107-108V吗?

文[2]的作者同意雷雨云的电压是107-108V，但是不同意地物承受同样的高电压，因为包括避雷针和消雷器等也将承受这样的高电压。我们说，是的，地物和防雷装置上也将承受这样的高电压。这个问题可以大致地估算如下，雷电先导头部积存有几个库伦的电量Q，一般地物(包括避雷针和消雷器等)的固有电容C为108法拉，当先导头部的电量注入到地物上时，地物上的瞬间脉冲电压就是Um,Um=Q/C=100库伦/10-8法拉=108伏

再从先导流注通道的电压降来估算，先导通道变成电弧放电时其单位电压降为5.5V/cm，云地距离为105cm，所以云地间的电弧电压降总计为105V量级，雷雨云的电压为107-108V，地物所承受的电压Um应为，107-108V减107-108V依然是107-108V。避雷针和消雷器等屏蔽下的物体，它受到的是旁路耦合电压，决定于防雷导体的电感电压降和电阻电压降，那就不是107-108V了。但是这种情况已经属于避雷针防雷的方式，而不是绝缘避雷的方式了。少长针消雷器和优化避雷针被雷击毁的事实告诉我们，它们确实遭受到107-108V的脉冲高电压。


二、雷击选择性规律≠绝缘避雷

并排的两个物体，一个是绝缘体；一个是导体。它们在雷雨云下，后者容易遭受雷击；而前者较少遭受雷击，这是雷击选择性规律的表现。绝缘避雷的概念是用绝缘材料挡住雷电，是串联的电路概念(或者从上空、或者从地面串入绝缘材料)。雷击选择性规律≠绝缘避雷，这两者是不能混淆的。在没有并联导体存在的情况下，雷击打下来，串联的绝缘体上必然先产生电晕现象(这时它已经开始丧失其绝缘性能)，随后产生绝缘材料的表面放电现象或绝缘体的电击穿现象。我们说用绝缘材料不能阻隔高电压放电，这有大量的实验数据；这些实验数据是做防雷设计计算反击抗电强度所必须知道的。文[1]作者进行的并联模拟仿人雷击实验是雷击选择性规律的试验，它不能作为绝缘避雷的理由。


有人拿某些古建筑一时未曾遭受雷击说事，他们(以自己所知为准)只算未曾遭受雷击的，不计算曾经发生过雷击的；即便该建筑物已被雷击，他们依然坚持要绝缘避雷，例如山西应县木塔[4]。河北省定兴有一座古塔(砖塔)，也曾遭受雷击，曾被击去一角并有垮塌的危险。北京古建部门派专家用环氧树脂进行了加固，对该塔做了全面整修并安装了防雷装置。北京十三陵和故宫等古建筑群的宫殿历史上也曾多次遭受雷击，这些都有较详细的记载。


明朝，弘治三年(公元1500年)七月壬子，故宫午门遭受雷击起火；

嘉靖二十年四月辛酉(1541年)太庙大殿遭受雷击发生大火；

嘉靖三十六年四月丙申(1557年)雷击三大殿、午门、文武二门及奉天门等均被焚毁；

万历二十二年六月乙酉(1594年)西华门遭受雷击起火；

崇祯十六年六月二十三日(1643年)奉先殿雷击着火；

清朝，乾隆四十八年六月癸亥(1783年)体仁阁遭受雷击火灾，等等。



解放后，人民政府对古建筑的保护非常重视，在故宫的主要建筑物上安装了避雷针保护，凡是安装了防雷装置的宫殿均得到安全地保护。1985年起我们在王时煦先生指导下，会同故宫博物院古建部专家进行了十几年的调查研究、雷击模拟实验研究、防雷设计、工程施工和检测。在制定故宫防雷规划过程中，当时未被安装防雷的宫殿又屡次遭受雷击，我们认识到必须全面地实施防雷，但是这又不现实。到现在为止，我们只写了外部防雷的总结报告。王老、于倬云和白丽娟合写了“故宫博物院的防雷历史与经验总结”[6]。由于故宫的雷电电磁脉冲防护是由公安部某技术部门做的，我们未能做故宫博物院防雷的全面总结。以上事实说明，古建防雷研究工作是件细致而艰苦的工作，要深入实际调查核实，知道多少就说多少。不能看了几本书就对古建防雷指手画脚。古建筑中的“雷公柱”是位于两侧山墙中部的顶梁柱。古建筑的房角的雷击率最多，它下边的顶梁柱遭受雷击损坏的机率也最多。历史上雷公柱经常遭到雷击而劈裂和烧毁，说“雷公柱相当于今天的避雷针的接地装置”[4]是错误的，这不符合事实。


对于古建筑群的防雷，需要对当地的地理环境做全面的调查研究，例如当地的雷电活动情况、建筑物的结构和使用情况，地下土壤的导电情况等等。我们对故宫博物院的防雷就是这样做的；对浙江宁波天童禅寺的大环境和实际情况我们都没有调查研究，就没有权力发表意见。按文[1]作者的论述，带电气溶胶对山坡树林放电，这可能是一种区域性防雷[7]的机制在起作用，但那也不能说明“绝缘避雷“是可行的。


三、绝缘避雷概念的模糊性及其宣传的危害性

绝缘避雷的概念具有很大的模糊性，容易令人想到市电的绝缘。1956年上海地区(包括市区、松江和昆山)雷击死伤多人(死亡71人，伤99人)，百姓中产生恐慌情绪和迷信思想。某地小学教师宣传了防雷知识说“绝缘可以避雷”，农民只知道木头不导电，结果一听打雷，有的人坐在桌子上，有的人爬在稻草堆里，有的人措手不及就把脚桶翻过来立在上面。有的宣传神秘化，说打雷时不能*墙、不能*柱、脚不能着地，结果弄得人人自危。文[1]的作者认为绝缘伞和绝缘衣可以防雷，这就不对了。因为躲在砖木结构建筑物中的人尚且不能避免雷击的危险，在旷野中打着绝缘伞和穿着绝缘衣更不能保证不被雷击。穿着绝缘靴的人较比光脚的人能避免跨步电压的危害，这是因为地中的土壤形成一道旁路，人身所受的电压不是雷击的全部电压。


建筑物防雷的概念是清楚、明确的，它的原理是引雷人地和对室内的人和电气设备隔离绝缘。在早期的防雷设计中曾广泛地采用独立避雷针，对建筑物的隔离距离为3m。现代建筑物的防雷则较多地采用避雷带和避雷网。现在有人提议独立避雷针对建筑物的隔离距离改为5m，这是考虑了雷电的电磁感应对室内电气设备的影响。智能建筑物的防雷则采用法拉第笼、接地网、屏蔽布线等等防雷电电磁脉冲的措施。随着电讯时代的到来，防雷技术获得了极大地发展，现代系统防雷工程可以保证建筑物内的电气系统(包括电力、电讯和自动控制)的安全运行，不必拉闸断电。然而有人无视这些进步，奇怪地要我们回到“绝缘避雷”[4]的时代!

四、现代防雷的原理是引导与隔离

通俗地讲解，防雷和治水是一个道理，要疏导和堵塞相结合，用技术语言说是引导加隔离。现在进入信息时代，几乎所有的建筑物都离不开电源和通讯线路，雷电侵入建筑物的渠道不只是直接雷击，还有通过天线、电源线、通讯线和金属管道，所以要进行系统防雷。大气物理学家告诉我们，发展成熟的落地闪电是不能阻止和消灭的，雷击总会击中地面某处释放掉它的能量。雷电先导流注在高空不受地物的影响，当它延伸到距离地物50-150m时，就要受到地面电场分布的影响。先导流注将向着电场强度最大的方向发展，避雷针和避雷带的引雷原理就是它们具有最大的电场强度，就是电场理论的应用。平屋顶的中部的电场强度比其屋顶边檐(或女儿墙)处的电场强度小两、三个数量级，所以我们建议在平屋顶的边檐处安装避雷带或在房顶的四角安装避雷针。这是控制论在防雷中的应用，也是电场理论在防雷中的应用。我们建议的建筑物易受雷击的部位的分布图也是电场理论的应用。文[4]说的(“场”与“路”之争)都是妄加指责，就是“等离子避雷”也得给落地雷一个落脚点(引导雷电流安全入地的装置)，否则它绝不能成功。

文[4]对防雷接地问题提出质疑，他说获得低接地电阻值特别难。我看他把问题夸大了。现在人们明确了共地是防雷工程最合理的选择，可以充分利用自然接地体和接地管线降低接地电阻。所以在城市中的防雷工程做到低接地电阻值并不难；在山地、卵石地带获得低值接地电阻确有较大的困难，但是有做大接地网，采用降阻剂，进出线采用埋地铁管敷设等等措施，可以解决问题。然而用文[4]作者建议的“绝缘避雷”的办法是决然不行的。正如大气物理学家郭昌明先生指出的[8]，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雷电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。

五、结论

1.中国的古建筑绝大部分是木结构的和砖木结构的。这些建筑物在历史上曾经遭到多次雷击，北京故宫的建筑群就屡次遭到过雷击，这是有记录可查的。那种古建筑有“绝缘避雷”性能的传说是讹传。

2.发展成熟的落地闪电是不能用绝缘阻挡也不能消除的。

3.现代防雷的原理是引导雷电流人地，并保证人身和电气设备的隔离安全。

参考文献

[1] 江明礼，绝缘物上出现电晕现象和发生雷击是一回事吗?防雷世界，2004年第6期，6l-62页；

[2] 江明札，雷击下物体(包括避雷针和消雷器等)所承受的电压是107-108V吗?防雷世界，2004年第6期，63页；

[3] 马宏达，关于绝缘避雷问题的讨论，防雷世界，2004年第2期，57-58页；

[4] 虞昊，用避雷针还是用等离子避雷技术?——信息社会防直击雷的思考，雷电防护与标准化，2004年第3期，101-107页；

[5] 方家光，绝缘避雷可行吗?防雷世界，2004年第6期，57-60页；

[6] 王时煦，于倬云，白丽娟，故宫博物院的防雷历史与经验总结，《中国紫禁城学会第三次学术讨论会论文提要汇编》，中国紫禁城学会，2000年10月，65页；

[7] 马宏达，山区电网防雷的新概念——区域性防雷，1995年第7期，43-46页

[8] 郭昌明，防雷技术中的争论之我见，CHINA防雷，2003年，ll-12期，33-36。


马宏达 中国科学院电工研究所