再論“絕緣避雷”不可行


摘 要：“絕緣避雷”是一個(gè)模糊而錯(cuò)誤的概念，分析了幾個(gè)有關(guān)的誤解，說明了其所以錯(cuò)誤的道理。

關(guān)鍵詞：建筑物防雷 絕緣避雷


《防雷世界》2004年第6期刊登文章[1][2]，對(duì)筆者“關(guān)于絕緣避雷問題的討論”[3]一文表示疑問和異議，又有文[4]再次提出“絕緣避雷”問題。對(duì)此方家光教授已經(jīng)撰文[5]給予澄清，我表示完全贊成。為了補(bǔ)充有關(guān)資料，筆者寫出本文作為答辯，歡迎讀者討論和批評(píng)。

一、雷擊下物體所承受的電壓是107-108V嗎?

文[2]的作者同意雷雨云的電壓是107-108V，但是不同意地物承受同樣的高電壓，因?yàn)榘ū芾揍樅拖灼鞯纫矊⒊惺苓@樣的高電壓。我們說，是的，地物和防雷裝置上也將承受這樣的高電壓。這個(gè)問題可以大致地估算如下，雷電先導(dǎo)頭部積存有幾個(gè)庫倫的電量Q，一般地物(包括避雷針和消雷器等)的固有電容C為108法拉，當(dāng)先導(dǎo)頭部的電量注入到地物上時(shí)，地物上的瞬間脈沖電壓就是Um,Um=Q/C=100庫倫/10-8法拉=108伏

再從先導(dǎo)流注通道的電壓降來估算，先導(dǎo)通道變成電弧放電時(shí)其單位電壓降為5.5V/cm，云地距離為105cm，所以云地間的電弧電壓降總計(jì)為105V量級(jí)，雷雨云的電壓為107-108V，地物所承受的電壓Um應(yīng)為，107-108V減107-108V依然是107-108V。避雷針和消雷器等屏蔽下的物體，它受到的是旁路耦合電壓，決定于防雷導(dǎo)體的電感電壓降和電阻電壓降，那就不是107-108V了。但是這種情況已經(jīng)屬于避雷針防雷的方式，而不是絕緣避雷的方式了。少長針消雷器和優(yōu)化避雷針被雷擊毀的事實(shí)告訴我們，它們確實(shí)遭受到107-108V的脈沖高電壓。


二、雷擊選擇性規(guī)律≠絕緣避雷

并排的兩個(gè)物體，一個(gè)是絕緣體；一個(gè)是導(dǎo)體。它們在雷雨云下，后者容易遭受雷擊；而前者較少遭受雷擊，這是雷擊選擇性規(guī)律的表現(xiàn)。絕緣避雷的概念是用絕緣材料擋住雷電，是串聯(lián)的電路概念(或者從上空、或者從地面串入絕緣材料)。雷擊選擇性規(guī)律≠絕緣避雷，這兩者是不能混淆的。在沒有并聯(lián)導(dǎo)體存在的情況下，雷擊打下來，串聯(lián)的絕緣體上必然先產(chǎn)生電暈現(xiàn)象(這時(shí)它已經(jīng)開始喪失其絕緣性能)，隨后產(chǎn)生絕緣材料的表面放電現(xiàn)象或絕緣體的電擊穿現(xiàn)象。我們說用絕緣材料不能阻隔高電壓放電，這有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是做防雷設(shè)計(jì)計(jì)算反擊抗電強(qiáng)度所必須知道的。文[1]作者進(jìn)行的并聯(lián)模擬仿人雷擊實(shí)驗(yàn)是雷擊選擇性規(guī)律的試驗(yàn)，它不能作為絕緣避雷的理由。


有人拿某些古建筑一時(shí)未曾遭受雷擊說事，他們(以自己所知為準(zhǔn))只算未曾遭受雷擊的，不計(jì)算曾經(jīng)發(fā)生過雷擊的；即便該建筑物已被雷擊，他們依然堅(jiān)持要絕緣避雷，例如山西應(yīng)縣木塔[4]。河北省定興有一座古塔(磚塔)，也曾遭受雷擊，曾被擊去一角并有垮塌的危險(xiǎn)。北京古建部門派專家用環(huán)氧樹脂進(jìn)行了加固，對(duì)該塔做了全面整修并安裝了防雷裝置。北京十三陵和故宮等古建筑群的宮殿歷史上也曾多次遭受雷擊，這些都有較詳細(xì)的記載。


明朝，弘治三年(公元1500年)七月壬子，故宮午門遭受雷擊起火；

嘉靖二十年四月辛酉(1541年)太廟大殿遭受雷擊發(fā)生大火；

嘉靖三十六年四月丙申(1557年)雷擊三大殿、午門、文武二門及奉天門等均被焚毀；

萬歷二十二年六月乙酉(1594年)西華門遭受雷擊起火；

崇禎十六年六月二十三日(1643年)奉先殿雷擊著火；

清朝，乾隆四十八年六月癸亥(1783年)體仁閣遭受雷擊火災(zāi)，等等。



解放后，人民政府對(duì)古建筑的保護(hù)非常重視，在故宮的主要建筑物上安裝了避雷針保護(hù)，凡是安裝了防雷裝置的宮殿均得到安全地保護(hù)。1985年起我們在王時(shí)煦先生指導(dǎo)下，會(huì)同故宮博物院古建部專家進(jìn)行了十幾年的調(diào)查研究、雷擊模擬實(shí)驗(yàn)研究、防雷設(shè)計(jì)、工程施工和檢測。在制定故宮防雷規(guī)劃過程中，當(dāng)時(shí)未被安裝防雷的宮殿又屢次遭受雷擊，我們認(rèn)識(shí)到必須全面地實(shí)施防雷，但是這又不現(xiàn)實(shí)。到現(xiàn)在為止，我們只寫了外部防雷的總結(jié)報(bào)告。王老、于倬云和白麗娟合寫了“故宮博物院的防雷歷史與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”[6]。由于故宮的雷電電磁脈沖防護(hù)是由公安部某技術(shù)部門做的，我們未能做故宮博物院防雷的全面總結(jié)。以上事實(shí)說明，古建防雷研究工作是件細(xì)致而艱苦的工作，要深入實(shí)際調(diào)查核實(shí)，知道多少就說多少。不能看了幾本書就對(duì)古建防雷指手畫腳。古建筑中的“雷公柱”是位于兩側(cè)山墻中部的頂梁柱。古建筑的房角的雷擊率最多，它下邊的頂梁柱遭受雷擊損壞的機(jī)率也最多。歷史上雷公柱經(jīng)常遭到雷擊而劈裂和燒毀，說“雷公柱相當(dāng)于今天的避雷針的接地裝置”[4]是錯(cuò)誤的，這不符合事實(shí)。


對(duì)于古建筑群的防雷，需要對(duì)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境做全面的調(diào)查研究，例如當(dāng)?shù)氐睦纂娀顒?dòng)情況、建筑物的結(jié)構(gòu)和使用情況，地下土壤的導(dǎo)電情況等等。我們對(duì)故宮博物院的防雷就是這樣做的；對(duì)浙江寧波天童禪寺的大環(huán)境和實(shí)際情況我們都沒有調(diào)查研究，就沒有權(quán)力發(fā)表意見。按文[1]作者的論述，帶電氣溶膠對(duì)山坡樹林放電，這可能是一種區(qū)域性防雷[7]的機(jī)制在起作用，但那也不能說明“絕緣避雷“是可行的。


三、絕緣避雷概念的模糊性及其宣傳的危害性

絕緣避雷的概念具有很大的模糊性，容易令人想到市電的絕緣。1956年上海地區(qū)(包括市區(qū)、松江和昆山)雷擊死傷多人(死亡71人，傷99人)，百姓中產(chǎn)生恐慌情緒和迷信思想。某地小學(xué)教師宣傳了防雷知識(shí)說“絕緣可以避雷”，農(nóng)民只知道木頭不導(dǎo)電，結(jié)果一聽打雷，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腳桶翻過來立在上面。有的宣傳神秘化，說打雷時(shí)不能*墻、不能*柱、腳不能著地，結(jié)果弄得人人自危。文[1]的作者認(rèn)為絕緣傘和絕緣衣可以防雷，這就不對(duì)了。因?yàn)槎阍诖u木結(jié)構(gòu)建筑物中的人尚且不能避免雷擊的危險(xiǎn)，在曠野中打著絕緣傘和穿著絕緣衣更不能保證不被雷擊。穿著絕緣靴的人較比光腳的人能避免跨步電壓的危害，這是因?yàn)榈刂械耐寥佬纬梢坏琅月罚松硭艿碾妷翰皇抢讚舻娜侩妷骸?br style="font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: small; white-space: normal;"/>

建筑物防雷的概念是清楚、明確的，它的原理是引雷人地和對(duì)室內(nèi)的人和電氣設(shè)備隔離絕緣。在早期的防雷設(shè)計(jì)中曾廣泛地采用獨(dú)立避雷針，對(duì)建筑物的隔離距離為3m。現(xiàn)代建筑物的防雷則較多地采用避雷帶和避雷網(wǎng)。現(xiàn)在有人提議獨(dú)立避雷針對(duì)建筑物的隔離距離改為5m，這是考慮了雷電的電磁感應(yīng)對(duì)室內(nèi)電氣設(shè)備的影響。智能建筑物的防雷則采用法拉第籠、接地網(wǎng)、屏蔽布線等等防雷電電磁脈沖的措施。隨著電訊時(shí)代的到來，防雷技術(shù)獲得了極大地發(fā)展，現(xiàn)代系統(tǒng)防雷工程可以保證建筑物內(nèi)的電氣系統(tǒng)(包括電力、電訊和自動(dòng)控制)的安全運(yùn)行，不必拉閘斷電。然而有人無視這些進(jìn)步，奇怪地要我們回到“絕緣避雷”[4]的時(shí)代!

四、現(xiàn)代防雷的原理是引導(dǎo)與隔離

通俗地講解，防雷和治水是一個(gè)道理，要疏導(dǎo)和堵塞相結(jié)合，用技術(shù)語言說是引導(dǎo)加隔離。現(xiàn)在進(jìn)入信息時(shí)代，幾乎所有的建筑物都離不開電源和通訊線路，雷電侵入建筑物的渠道不只是直接雷擊，還有通過天線、電源線、通訊線和金屬管道，所以要進(jìn)行系統(tǒng)防雷。大氣物理學(xué)家告訴我們，發(fā)展成熟的落地閃電是不能阻止和消滅的，雷擊總會(huì)擊中地面某處釋放掉它的能量。雷電先導(dǎo)流注在高空不受地物的影響，當(dāng)它延伸到距離地物50-150m時(shí)，就要受到地面電場分布的影響。先導(dǎo)流注將向著電場強(qiáng)度最大的方向發(fā)展，避雷針和避雷帶的引雷原理就是它們具有最大的電場強(qiáng)度，就是電場理論的應(yīng)用。平屋頂?shù)闹胁康碾妶鰪?qiáng)度比其屋頂邊檐(或女兒墻)處的電場強(qiáng)度小兩、三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以我們建議在平屋頂?shù)倪呴芴幇惭b避雷帶或在房頂?shù)乃慕前惭b避雷針。這是控制論在防雷中的應(yīng)用，也是電場理論在防雷中的應(yīng)用。我們建議的建筑物易受雷擊的部位的分布圖也是電場理論的應(yīng)用。文[4]說的(“場”與“路”之爭)都是妄加指責(zé)，就是“等離子避雷”也得給落地雷一個(gè)落腳點(diǎn)(引導(dǎo)雷電流安全入地的裝置)，否則它絕不能成功。

文[4]對(duì)防雷接地問題提出質(zhì)疑，他說獲得低接地電阻值特別難。我看他把問題夸大了。現(xiàn)在人們明確了共地是防雷工程最合理的選擇，可以充分利用自然接地體和接地管線降低接地電阻。所以在城市中的防雷工程做到低接地電阻值并不難；在山地、卵石地帶獲得低值接地電阻確有較大的困難，但是有做大接地網(wǎng)，采用降阻劑，進(jìn)出線采用埋地鐵管敷設(shè)等等措施，可以解決問題。然而用文[4]作者建議的“絕緣避雷”的辦法是決然不行的。正如大氣物理學(xué)家郭昌明先生指出的[8]，要使被保護(hù)系統(tǒng)不產(chǎn)生上行先導(dǎo)，就要使這系統(tǒng)各處的電場在雷電先導(dǎo)臨近時(shí)都低于一定值。如果這并不是件不可能的事，也是一件難以實(shí)際作到的事。迄今，沒有真正成功的個(gè)例。

五、結(jié)論

1.中國的古建筑絕大部分是木結(jié)構(gòu)的和磚木結(jié)構(gòu)的。這些建筑物在歷史上曾經(jīng)遭到多次雷擊，北京故宮的建筑群就屢次遭到過雷擊，這是有記錄可查的。那種古建筑有“絕緣避雷”性能的傳說是訛傳。

2.發(fā)展成熟的落地閃電是不能用絕緣阻擋也不能消除的。

3.現(xiàn)代防雷的原理是引導(dǎo)雷電流人地，并保證人身和電氣設(shè)備的隔離安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 江明禮，絕緣物上出現(xiàn)電暈現(xiàn)象和發(fā)生雷擊是一回事嗎?防雷世界，2004年第6期，6l-62頁；

[2] 江明札，雷擊下物體(包括避雷針和消雷器等)所承受的電壓是107-108V嗎?防雷世界，2004年第6期，63頁；

[3] 馬宏達(dá)，關(guān)于絕緣避雷問題的討論，防雷世界，2004年第2期，57-58頁；

[4] 虞昊，用避雷針還是用等離子避雷技術(shù)?——信息社會(huì)防直擊雷的思考，雷電防護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2004年第3期，101-107頁；

[5] 方家光，絕緣避雷可行嗎?防雷世界，2004年第6期，57-60頁；

[6] 王時(shí)煦，于倬云，白麗娟，故宮博物院的防雷歷史與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，《中國紫禁城學(xué)會(huì)第三次學(xué)術(shù)討論會(huì)論文提要匯編》，中國紫禁城學(xué)會(huì)，2000年10月，65頁；

[7] 馬宏達(dá)，山區(qū)電網(wǎng)防雷的新概念——區(qū)域性防雷，1995年第7期，43-46頁

[8] 郭昌明，防雷技術(shù)中的爭論之我見，CHINA防雷，2003年，ll-12期，33-36。


馬宏達(dá) 中國科學(xué)院電工研究所