防雷知識的層次性中國科學院電工研究所 馬宏達摘 要：討論防雷知識的層次性結構，舉例說明了不同層次防雷知識產生誤解原因。說明了人類社會思維的三個層次及現有科技理論的局限性，論證了開展防雷研究應注意的幾項基本觀點。關鍵詞：雷電 防雷 雷電電磁脈沖防護(LEMP)認識論 辯證唯物論一、防雷是個邊緣學科由于防雷的問題涉及到許多學科，如大氣電學、電力科學、建筑科學和電信科學等。它是一門邊緣學科，它的理論須要各界專家學者共同學習交流才能完善。1996年到1999年間北京地區一些防雷學者組織了防雷學術討論會，開始于對消雷器看法的交流，后來轉為對雷電電磁脈沖防護(LEMP)理論的學習。這些學術論文發表在《電網技術》和《工程物理》雜志上。沒有各界專家共同的探討誰也不敢說他對防雷看法是全面的?？茖W技術的健康發展須要不同學派之間的自由討論和競爭，防雷技術的發展也是如此。防雷學術研討會不能只有一個，防雷雜志不能僅有一種，要創建一種自由辯論的平臺和機制，以保證百家爭鳴方針政策的貫徹執行。但是不能把學術討論與防雷規范的管理工作對立起來，國標規定的各種防雷規范都應按照執行，除非有關部門下令廢止或暫時停止執行；但也要允許對即將頒發和現有的防雷規范發表不同意見。有關政策的問題這里只是提一下，不在本文深入討論。二、防雷知識的層次性現代科學技術可以分為基礎科學和技術科學兩大類。基礎科學研究自然界的基本規律，如物理學；物理學下面又分為聲、光、熱、電和原子學等分支學科；電磁學科內又分為靜電學、直流電學、磁學、交流電磁學、電磁波和電磁流體力學等。技術科學研究和工程技術有關的自然規律，比如防雷技術科學。防雷技術科學又關系到大氣物理學、電場學、介質物理學、高電壓裝置及其實驗技術、地中電流和接地裝置、電磁波和波動過程等；防雷技術是為電力系統、電信系統、建筑物和構筑物服務的，防雷技術工作人員還得學習相關服務部門的知識。由于現代科學分科很細，各門學科之間的語言概念往往有區別，容易產生誤解；各門學科對事物的認知方法(如物理模型的選擇等)不同，不同專業人員之間在概念和語言上不通，不能互譯的情況很多，即使大家都講同一個概念，實際上各自理鋸也很不相同。這種情況是造成當前防雷學術交流的重大障礙，這次討論會我提供了四篇報告，這篇是總論，談哲學，其他三篇詳細討論三種理論誤區的案例。古語說歧路亡羊，下面說明這三個案例是怎樣陷入思維歧路的。1.案例——限流避雷針和消雷器[1]熟悉普通電工原理的人都知道霓虹燈用高電壓供電，它的本體電壓降很小而通過電流能力也很小，它是*霓虹燈變壓器的內阻來限流的。有人用霓虹燈變壓器的限流原理為限流避雷針和消雷器辯解。其實雷電的放電過程與電器中的導電過程完全不同，是不能類比的。在普通電路中電子的運動形式是電子在電場作用下的電子接力運動，而閃電通道中的電子運動主要是電子的貫穿運動，在主放電通道中先導流注與迎面流注相遇，正負離子交融產生高溫等離子體通道，它有如懸掛著的鞭炮爆炸，閃電電流的脈沖波是由閃電通道中的離子流形成的。脈沖波后的余輝電流才是雷雨云中傳來的電流。筆者在文[1]中已做了說明。主放電通道中的電壓降是很小的5.5V/cm，而雷雨云的電壓是很高的108V，所以避雷針和消雷器的限流說是不能成立的。有人說雷電是電荷源，主放電發生前可以這樣說，但在主放電之后雷電就是一個電流源了，或者說是一個電流脈沖波。低電壓下可以用電阻和電感限制電流；但是在高電壓下是不能夠限制電流的，是必然產生放電現象的。2.案例二——反擊雷電流的方向及其防范方式的選擇[2]從建筑物外面沿電氣線路引入過電壓波的防護用多級SPD消波，搞防雷設計的人都比較熟悉了；然而當雷擊建筑物發生雷電反擊現象時，LPZ1區內的電位隨接地網的電位而整體抬高，反擊雷電流將延接地導體向外擴散而不是向建筑物內部的電氣線路擴散。LPZ1區內的震蕩電流來源于電磁感應和電磁耦合，這一點IEC防雷標準并沒有說明白；相反：IEC61312-3：2000，IDT《雷電電磁脈沖的防護，第三部分：對浪涌保護器的要求》文本中圖B1，圖B2，圖B7，圖B9，圖B10都是講的雷電流向外部其它建筑物和變壓器擴散的情況。用架空線供電的建筑物在遭受雷擊時容易產生擴大的雷擊事故，這一點我國防雷工作者早有察覺。我國防雷學者是采用對進出線做屏蔽段來解決這一問題的。筆者介紹了清華大學朱德恒老師帶領學生做的模擬試驗和劉繼先生在發電廠實測的反擊雷電過電壓，說明了用屏蔽電纜段和屏蔽鐵管段防護進線雷電波與反擊雷電波的原理。這些防雷作法有充分的實驗根據和40余年的運行經驗，而且寫入了GB 50057-94《建筑物防雷設計規范》第3.3.9條第二款第一項和第三款第一項條文之中。我國的這些先進的防雷理論應該寫進防雷規范的第六章中，對有誤導作用的規范條文應該進行修改。如果還有爭議大家可以用實驗來檢驗。我們要研究出適用于各種建筑物和對應于各種情況的最佳防雷方案。我認為將反擊雷電流放入電網和相鄰建筑物中去擴大雷擊事故，不如把反擊雷電流引入電纜外皮和屏蔽鐵管使其入地更安全更合理。這一看法竟因為10/350μs波形的爭議給沖淡了，筆者還是強調“一棟建筑物的雷電耗能渠道要設計好”的系統防雷、整體防雷的設計思想，因為雷電能量是不能自動消除的(建筑物固有電容在雷雨云感應下先期充電的電荷另做討論)，只能把它散流入地，把它放到別處去闖禍不是好辦法。3.案例三——絕緣避雷問題[3]有人提出“加在絕緣物兩端的電壓只是與絕緣物厚度相同的空氣兩端電壓。只要絕緣物的耐壓高于它兩端的大氣的擊穿電壓，絕緣物就不會被擊穿。”有人提出“為什么不可以使整個地面做成高度絕緣的?如果把避雷針底座做成高度絕緣的，這種與地絕緣的避雷針實際上是拒雷針，對于智能大樓這是求之不得的!”這些談論充分說明了某些人的理論認識與客觀事實差距之大。高電壓實驗告訴我們，高電壓脈沖作用于絕緣物上它的放電與否決定于沿面放電強度，而不是絕緣材料的厚度。我們進行琉璃瓦屋面的雷擊模擬實驗表明!雷擊時屋面一片閃絡火光?改角環氧樹脂絕緣板再試依然產生沿面放電。大家可到北京科技館去看，那里用有機玻璃板做的高電壓實驗，現場表演這種沿面放電的現象。1961年我們到一處高山雷達站做防雷調研：那是一座云霧山，山地表面有一層很薄的植被，植被下都是石頭。山上有一處泉源，其水質與蒸餾水的電阻率相同。這種情況相當于“整個地面是高度絕緣的”，據當地戰士講雷擊時山上地面一片火光，沿山上的架空線也有火球滾動。所以我們不能用常規低電壓下的理論去推斷高電壓下的現象。我們對已知的科技理論適用條件必須保持清醒頭腦，對它的局限性有所警惕。遇到防雷的新課題首先要做調查研究，做模擬實驗，千萬不要簡單地用自己熟悉的某一原理、或某一公式去套。不合實際的理論往往害人，我們有深刻的教訓。三、思維的三個層次人的思維認知過程可以分為感性、知性和理性三個層次，科技知識是屬于知性范疇的而不是屬于理性范疇的。因為現代科技知識都是針對某事某一方面加以分析深入鉆研的結果，它必然有某些局限性；而客觀事物是復雜的，它往往取決于許多因素。研究物理問題人們必須借助于模型，然后運用形式邏輯進行推導。形式邏輯推導出來的結果是屬于知性的認識，它還不是理性的認識。理性的認識要運用辯證邏輯，辯證邏輯要求整體地、發展地和全面地反映事物?！拔覀儾粫耆刈龅竭@一點，但是，全面性這一要求可以使我們防止犯錯誤和防止僵化”。列寧的上述講話和鄧小平的“摸著石頭過河”的講話都提醒我們要注意實踐，認識的逐步深入也只有*反復地研究實踐。現在我國防雷學界因為對理論的認識不同發生一些爭論，這是正常現象。大家要以包容和團結的精神，以事實求真的精神，通過討論達成一致，還可以通過試驗達成一致。如果個人意見不被多數人采納，而個人又認為是對的、有根有據的，可以繼續堅持。這就是老話說的“有容乃大，無欲則剛”。我們的學術批評應該是實話實說的、建設性的和討論性的。筆者努力做到學術批評的正確方向，也曾向這些老師和朋友致意，希望大家不要傷感情。感謝這些老師和朋友的寬宏大度，筆者論述中的錯誤敬祈各位不吝賜正。另外還有不正當的商業炒做干擾我們的學術交流，對此我們要提高警惕，盡量避免才是。四、結論1.學習科技理論要知道它的局限性，即它的使用條件。不要不顧客觀事物變化而盲目推理；2.防雷是門邊緣學科，學習防雷要特別注意調查研究和做試驗研究；3.培養防雷接班人要注意實驗能力和創新能力的培養，要提倡獨立思考和實事求是的作風；4.智能大樓的防雷要重視我國學者提出的“三道防線(或稱三個防雷子系統)[4]”和“六項設計因素[5]”的思想。參考文獻[1] 馬宏達，論我國消雷器和避雷針研究的誤區，防雷世界，2003年第11期，55-58頁；[2] 馬宏達，再論外部防雷和內部防雷的區別，見本文集；[3] 馬宏達，關于絕緣避雷問題的討論，見本文集；[4] 許穎，微波通信站的防雷保護，《微波通信站的防雷保護研討會講義》，電力部電力科學研究院，北京，1994年5月，1-5頁；[5] 王時煦，馬宏達，陳首新，《建筑物防雷設計》(第二版)，中國建筑工業出版社，1985年11月，59-61頁。