再論“絕緣避雷”不可行


摘 要：“絕緣避雷”是一個模糊而錯誤的概念，分析了幾個有關的誤解，說明了其所以錯誤的道理。

關鍵詞：建筑物防雷 絕緣避雷


《防雷世界》2004年第6期刊登文章[1][2]，對筆者“關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。對此方家光教授已經撰文[5]給予澄清，我表示完全贊成。為了補充有關資料，筆者寫出本文作為答辯，歡迎讀者討論和批評。

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，因為包括避雷針和消雷器等也將承受這樣的高電壓。我們說，是的，地物和防雷裝置上也將承受這樣的高電壓。這個問題可以大致地估算如下，雷電先導頭部積存有幾個庫倫的電量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，當先導頭部的電量注入到地物上時，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

再從先導流注通道的電壓降來估算，先導通道變成電弧放電時其單位電壓降為5.5V/cm，云地距離為105cm，所以云地間的電弧電壓降總計為105V量級，雷雨云的電壓為107-108V，地物所承受的電壓Um應為，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。少長針消雷器和優化避雷針被雷擊毀的事實告訴我們，它們確實遭受到107-108V的脈沖高電壓。


二、雷擊選擇性規律≠絕緣避雷

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


有人拿某些古建筑一時未曾遭受雷擊說事，他們(以自己所知為準)只算未曾遭受雷擊的，不計算曾經發生過雷擊的；即便該建筑物已被雷擊，他們依然堅持要絕緣避雷，例如山西應縣木塔[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。北京古建部門派專家用環氧樹脂進行了加固，對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，等等。



解放后，人民政府對古建筑的保護非常重視，在故宮的主要建筑物上安裝了避雷針保護，凡是安裝了防雷裝置的宮殿均得到安全地保護。1985年起我們在王時煦先生指導下，會同故宮博物院古建部專家進行了十幾年的調查研究、雷擊模擬實驗研究、防雷設計、工程施工和檢測。在制定故宮防雷規劃過程中，當時未被安裝防雷的宮殿又屢次遭受雷擊，我們認識到必須全面地實施防雷，但是這又不現實。到現在為止，我們只寫了外部防雷的總結報告。王老、于倬云和白麗娟合寫了“故宮博物院的防雷歷史與經驗總結”[6]。由于故宮的雷電電磁脈沖防護是由公安部某技術部門做的，我們未能做故宮博物院防雷的全面總結。以上事實說明，古建防雷研究工作是件細致而艱苦的工作，要深入實際調查核實，知道多少就說多少。不能看了幾本書就對古建防雷指手畫腳。古建筑中的“雷公柱”是位于兩側山墻中部的頂梁柱。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率也最多。歷史上雷公柱經常遭到雷擊而劈裂和燒毀，說“雷公柱相當于今天的避雷針的接地裝置”[4]是錯誤的，這不符合事實。


對于古建筑群的防雷，需要對當地的地理環境做全面的調查研究，例如當地的雷電活動情況、建筑物的結構和使用情況，地下土壤的導電情況等等。我們對故宮博物院的防雷就是這樣做的；對浙江寧波天童禪寺的大環境和實際情況我們都沒有調查研究，就沒有權力發表意見。按文[1]作者的論述，帶電氣溶膠對山坡樹林放電，這可能是一種區域性防雷[7]的機制在起作用，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(包括市區、松江和昆山)雷擊死傷多人(死亡71人，傷99人)，百姓中產生恐慌情緒和迷信思想。某地小學教師宣傳了防雷知識說“絕緣可以避雷”，農民只知道木頭不導電，結果一聽打雷，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，說打雷時不能*墻、不能*柱、腳不能著地，結果弄得人人自危。文[1]的作者認為絕緣傘和絕緣衣可以防雷，這就不對了。因為躲在磚木結構建筑物中的人尚且不能避免雷擊的危險，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，這是因為地中的土壤形成一道旁路，人身所受的電壓不是雷擊的全部電壓。


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室內的人和電氣設備隔離絕緣。在早期的防雷設計中曾廣泛地采用獨立避雷針，對建筑物的隔離距離為3m。現代建筑物的防雷則較多地采用避雷帶和避雷網?，F在有人提議獨立避雷針對建筑物的隔離距離改為5m，這是考慮了雷電的電磁感應對室內電氣設備的影響。智能建筑物的防雷則采用法拉第籠、接地網、屏蔽布線等等防雷電電磁脈沖的措施。隨著電訊時代的到來，防雷技術獲得了極大地發展，現代系統防雷工程可以保證建筑物內的電氣系統(包括電力、電訊和自動控制)的安全運行，不必拉閘斷電。然而有人無視這些進步，奇怪地要我們回到“絕緣避雷”[4]的時代!

四、現代防雷的原理是引導與隔離

通俗地講解，防雷和治水是一個道理，要疏導和堵塞相結合，用技術語言說是引導加隔離。現在進入信息時代，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，所以要進行系統防雷。大氣物理學家告訴我們，發展成熟的落地閃電是不能阻止和消滅的，雷擊總會擊中地面某處釋放掉它的能量。雷電先導流注在高空不受地物的影響，當它延伸到距離地物50-150m時，就要受到地面電場分布的影響。先導流注將向著電場強度最大的方向發展，避雷針和避雷帶的引雷原理就是它們具有最大的電場強度，就是電場理論的應用。平屋頂的中部的電場強度比其屋頂邊檐(或女兒墻)處的電場強度小兩、三個數量級，所以我們建議在平屋頂的邊檐處安裝避雷帶或在房頂的四角安裝避雷針。這是控制論在防雷中的應用，也是電場理論在防雷中的應用。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用。文[4]說的(“場”與“路”之爭)都是妄加指責，就是“等離子避雷”也得給落地雷一個落腳點(引導雷電流安全入地的裝置)，否則它絕不能成功。

文[4]對防雷接地問題提出質疑，他說獲得低接地電阻值特別難。我看他把問題夸大了?，F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，采用降阻劑，進出線采用埋地鐵管敷設等等措施，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。正如大氣物理學家郭昌明先生指出的[8]，要使被保護系統不產生上行先導，就要使這系統各處的電場在雷電先導臨近時都低于一定值。如果這并不是件不可能的事，也是一件難以實際作到的事。迄今，沒有真正成功的個例。

五、結論

1.中國的古建筑絕大部分是木結構的和磚木結構的。這些建筑物在歷史上曾經遭到多次雷擊，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.發展成熟的落地閃電是不能用絕緣阻擋也不能消除的。

3.現代防雷的原理是引導雷電流人地，并保證人身和電氣設備的隔離安全。

參考文獻

[1] 江明禮，絕緣物上出現電暈現象和發生雷擊是一回事嗎?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，關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?——信息社會防直擊雷的思考，雷電防護與標準化，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] 王時煦，于倬云，白麗娟，故宮博物院的防雷歷史與經驗總結，《中國紫禁城學會第三次學術討論會論文提要匯編》，中國紫禁城學會，2000年10月，65頁；

[7] 馬宏達，山區電網防雷的新概念——區域性防雷，1995年第7期，43-46頁

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


馬宏達 中國科學院電工研究所